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Zerstörungsfreie
Untersuchungen am
Brückenbauwerk A1
Hagen/Schwerte
Berichte der
Bundesanstalt für Straßenwesen
Brücken- und Ingenieurbau
ISSN 0943-9293
ISBN 978-3-86509-907-5
Heft B 65
Zerstörungsfreie
Untersuchungen am
Brückenbauwerk A1
Hagen/Schwerte
von
Martin Friese
Alexander Taffe
Jens Wöstmann
Andreas Zoëga
Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung
Berlin
Berichte der
Brücken- und Ingenieurbau
Heft B 65
Die Bundesanstalt für Straßenwesen
veröffentlicht ihre Arbeits- und Forschungsergebnisse in der Schriftenreihe Berichte der
Bundesanstalt für Straßenwesen. Die Reihe
besteht aus folgenden Unterreihen:
A -Allgemeines
B -Brücken- und Ingenieurbau
F -Fahrzeugtechnik
M-Mensch und Sicherheit
S -Straßenbau
V -Verkehrstechnik
Es wird darauf hingewiesen, dass die unter
dem Namen der Verfasser veröffentlichten
Berichte nicht in jedem Fall die Ansicht des
Herausgebers wiedergeben.
Nachdruck und photomechanische Wiedergabe, auch auszugsweise, nur mit Genehmigung der Bundesanstalt für Straßenwesen,
Stabsstelle Presse und Öffentlichkeitsarbeit.
Die Hefte der Schriftenreihe Berichte der
Bundesanstalt für Straßenwesen können
direkt beim Wirtschaftsverlag NW,
Verlag für neue Wissenschaft GmbH,
Bgm.-Smidt-Str. 74-76,
D-27568 Bremerhaven,
Telefon: (04 71) 9 45 44 - 0, bezogen werden.
Über die Forschungsergebnisse und ihre
Veröffentlichungen wird in Kurzform im
Informationsdienst BASt-Info berichtet.
Dieser Dienst wird kostenlos abgegeben;
Interessenten wenden sich bitte an die
Bundesanstalt für Straßenwesen,
Stabsstelle Presse und Öffentlichkeitsarbeit.
Impressum
Bericht zum Forschungsprojekt FE 86.043/2006
der Bundesanstalt für Straßenwesen:
Ortung von Spanngliedern und Verpressfehlern in Hüllrohren mit Ultraschall-Echo, ImpaktEcho und Radar am Brückenbauwerk Nr. 4511564 im Zuge der A1 bei Hagen/Schwerte
Projektbetreuung
Ralph Holst
Herausgeber
Brüderstraße 53, D-51427 Bergisch Gladbach
Telefon: (0 22 04) 43 - 0
Telefax: (0 22 04) 43 - 674
Redaktion
Stabsstelle Presse und Öffentlichkeitsarbeit
Druck und Verlag
Wirtschaftsverlag NW
Verlag für neue Wissenschaft GmbH
Postfach 10 11 10, D-27511 Bremerhaven
Telefon: (04 71) 9 45 44 - 0
Telefax: (04 71) 9 45 44 77
Email: [email protected]
Internet: www.nw-verlag.de
ISSN 0943-9293
ISBN 978-3-86509-907-5
Bergisch Gladbach, April 2009
Kurzfassung
Abstract
Zerstörungsfreie Untersuchungen am
Brückenbauwerk A1 Hagen/Schwerte
Non-destructive tests on the A1
Hagen/Schwerte bridge construction
Die Überwachung und Prüfung von Brücken im
Zuge von Bundesfernstraßen erfolgt in Deutschland nach der DIN 1076 in festgelegten Zeitintervallen. Im Zuge der „Objektbezogenen Schadensanalyse“ (OSA) hat sich der Einsatz kombinierter
zerstörungsfreier Prüfverfahren wie Ultraschallecho, Impakt-Echo und Radar an mehreren Spannbetonbrücken als geeignet erwiesen, Umfang und
Ursache ungeklärter Schäden zuverlässig zu
ermitteln. Diese Verfahrenskombination wurde
auch für die Untersuchungen an der Spannbetonbrücke im Zuge der Autobahn A1 bei Hagen verwendet. Dazu wurden von der BAM scannende
Messwerterfassungssysteme entwickelt, mit denen
die Prüfverfahren automatisiert für großflächige
Untersuchungen angewendet werden können.
Erstmals wurde ein Saugscanner verwendet, der
zerstörungsfrei am Bauwerk befestigt werden
kann. Der Bericht zeigt, wie die großflächigen
Ergebnisse der Untersuchung bildgebend dargestellt werden können. Dem Ingenieur ist es damit
möglich, einen Bezug zu Bestandsplanunterlagen
herzustellen. Sofern keine Bestandsplanunterlagen
existieren, können diese unter bestimmten Randbedingungen aus den Messergebnissen rekonstruiert werden.
Engineering structures in connection with federal
highways are tested according to German
Standard DIN 1076 in regular intervals. In case of
complex damage patterns additional information is
necessary by detailed analysis on the object level
(OSA). Non-destructive testing methods are part of
this further analysis.
Bei der Längsspannung der Brücke handelt es sich
um das System Baur-Leonhardt, das aus steifen
Blechkästen besteht, in die Litzen eingelegt und
zementös verpresst wurden. Über diese Konstruktion lagen noch keine Erfahrungen mit zerstörungsfreien Prüfverfahren vor. Deshalb wurden
Modellrechnungen für verschiedene Verpresszustände durchgeführt, um die zu erwartenden Ergebnisse vorab zu ermitteln.
As tensioning system in longitudinal direction the
so-called Baur-Leonhardt system was utilized. It
consists of a stiff box of sheets that contains lacing
of prestressed steel that have been injected with
grouting mortar. For this construction no
experience for non-destructive testing existed.
Thus model calculations for different grouting
quality of the tendon duct were carried out to get
an idea about the expected testing results.
Die Messergebnisse machen deutlich, dass mit
den verwendeten Verfahren der Verlauf der
Spannglieder sehr präzise dargestellt werden kann
und dass die Lage der Umlenkstellen, die dickeres
Blech in zwei Lagen aufweisen, zuverlässig bestimmt werden kann. An der Brücke wurde erstmals großflächig die Phasenauswertung von Ultraschallsignalen zur Ortung von Verpressfehlern
durchgeführt. Die Messungen ergaben keine Hinweise auf Verpressfehler. Die Richtigkeit dieser
Aussage wurde durch das Öffnen der Spannglieder im Zuge des Abrisses bestätigt.
The test results proved that the utilised testing
methods give very precise the position of the
tendon ducts. Also certain areas in the longitudinal
tendon duct (box) that indicate two layers of a
thicker sheet could be located reliably. For the first
time a phase evaluation of the ultrasonic results at
a large-scale concrete member was carried out.
The results gave no hint for the presence of
grouting defects. This was proved by uncovering
parts of the tendon ducts in the demolition process.
Testing methods like ultrasonic echo, impact-echo
and radar have proved to be very reliable in
several cases to give information about the cause
and the amount of damage. The above mentioned
combination of testing methods was used for the
investigation of a highway bridge of A1 close to
Hagen. The data collection was carried out with
automated testing systems developed from BAM
for large-area testing.
For the first time a vacuum scanner for also nondestructive fixation at the bridge was used. The
report shows the imaging of results taken at large
scale concrete members. For the engineer the
relation between testing results and as-builtdrawings is possible. In case of not existing asbuilt-drawings these might be reconstructed from
the testing results under certain boundary
conditions.
3
Inhalt
8
1
Einleitung
5
2
Prüfaufgabe und Leistungen
6
7
8.1.2
Radar
25
8.1.3
Impakt-Echo
25
Umfang / Leistungen
6
8.2
7
9
Fahrbahnplatte
31
8.2.1
Ultraschall-Echo
31
8.2.2
Radar
31
8.2.3
Impakt-Echo
32
8.3
Querträger
33
4.1
Allgemeines
9
4.2
Ultraschallecho
9
8.3.1
Ultraschall-Echo
33
4.3
Radar
11
8.3.2
Radar
35
4.4
Impakt-Echo
12
8.3.3
Impakt-Echo
35
8.4
Einfüllrohr am Steg
36
4.4.1
Verfahrensprinzip
12
4.4.2
Visualisierung der Messdaten:
12
8.4.1
Radar
36
Verfahrenskombination
13
8.4.2
Impakt-Echo
36
Verwendete Messtechnik
14
4.5
5
6
2.2
Beschreibung der großflächig
angewandten ZfPBau-Verfahren
23
23
6
4
Steg
Ultraschall-Echo
Prüfaufgabe
Untersuchtes Brückenbauwerk
8.1
23
8.1.1
2.1
3
Auswertung und Ergebnisse
9
Validierungsmessungen
38
5.1
Automatisierung
14
9.1
Allgemeines
38
5.2
Ultraschallecho
14
9.2
5.3
Radar
15
Schallgeschwindigkeit an
Referenzpunkten
38
5.4
Impakt-Echo
16
9.3
Schallgeschwindigkeit entlang von
Messlinien
39
Modellierung und Simulationsrechnungen
17
6.1
Allgemeines
17
6.2
Repräsentative Einzelbilder
17
6.3
Rekonstruktion der synthetischen Daten 19
Durchführung der Messung
7.1
Träger 2 (Steg 6)
22
22
10 Verifizierung der Messergebnisse
41
10.1 Allgemeines
41
10.2 Querspannglied der Fahrbahnplatte
41
10.3 Spannglied im Längsträger
41
10.4 Einfüllrohr im Längsträger
42
10.5 Spannglieder im Querträger
42
11 Zusammenfassung
43
7.1.1
Automatisierte Messungen
22
7.1.2
Manuelle Messungen
22
11.1 Bildgebende Darstellung der inneren
Konstruktion
43
22
11.2 Ortung von Verpressfehlern
44
22
11.3 Validierungsmessungen
45
22
11.4 Ortung von auffälligen Objekten
46
11.5 Aktueller Stand der Wissenschaft und
Technik und Ausblick
46
7.2
Fahrbahnplatte
7.2.1
7.3
Querträger
7.3.1
22
7.3.2
Manuelle Messungen
22
7.4
Träger 1 (Steg 5)
7.4.1
Manuelle Messungen
22
22
Literatur
46
4
Die Realisierung des Forschungsvorhabens
basiert auf einer projektgruppenübergreifenden
Zusammenarbeit in der Fachgruppe VIII.2 „Zerstörungsfreie Schadensdiagnose und Umweltmessverfahren“ an der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) in Berlin.
Neben den Autoren Dipl.-Ing. Martin Friese, Dipl.Ing. Alexander Taffe, Dipl.-Ing. Jens Wöstmann
und Dipl.-Ing. Andreas Zoëga haben die nachfolgend genannten Mitarbeiter aus dieser Fachgruppe wesentlich zum Zustandekommen des Berichtes beigetragen:
Dr.-Ing. Algernon, Daniel
Dipl.-Ing. Behrens, Matthias
Dipl.-Ing. Borchardt, Kerstin
Dipl.-Ing. Feldmann, Rüdiger
Dr. Krause, Martin
Lange, Marco
Dr.-Ing. Mielentz, Frank
Dipl.-Ing. Milmann, Boris
Dipl.-Ing. Schaurich, Dieter
Schneider, Gerhard
Smith, Sean
Dipl.-Ing. Stoppel, Marcus
Dipl.-Ing. Streicher, Doreen
Dr. Wiggenhauser, Herbert
Dipl.-Geophys. Zacher, Gerhard
und
Dr. Ing. Mayer, Klaus (Universität Kassel)
Vorgang
Mit dem Schreiben der Bundesanstalt für
Straßenwesen (BASt) vom 13.02.2007 (Az.: Z5g86.0043) wurde die Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) beauftragt, an dem
Brückenbauwerk Nr. 4511 564 im Zuge der A1 bei
Hagen Schwerte unmittelbar vor dessen Rückbau
Untersuchungen mit zerstörungsfreien Prüfverfahren des Bauwesens (ZfPBau-Verfahren) durchzuführen. Im Mittelpunkt des Forschungsvorhabens stand die Ortung von Spanngliedern und Verpressfehlern in Hüllrohren mit Ultraschallecho, Impakt-Echo und Radar.
Im Auftragsschreiben der BASt wird Bezug auf das
Schreiben der BAM vom 22.12.2006 und das
zugehörige Angebot der BAM, Fachgruppe VIII.2
„Zerstörungsfreie Schadensdiagnose und Umweltmessverfahren“ vom 22.12.2006 genommen.
Das Angebot beinhaltet automatisierte Messungen
mit Radar, Impakt-Echo und Ultraschallecho zur
Ortung von Spanngliedern sowie eventuell vorhandener unverpresster Hüllrohrbereiche und Verdichtungsmängeln. Nach Ausführung der Messungen wurden unmittelbar vor dem Abbruch der
Brücke zerstörende Untersuchungen zur Verifizierung der gewonnenen Ergebnisse durchgeführt.
Das Forschungsvorhaben wird durch das Bundesministerium für Verkehr, Bau und Stadtentwicklung (BMVBS) vertreten durch die Bundesanstalt für Straßenwesen (BASt) finanziert. Das
abzubrechende Brückenbauwerk liegt im Bereich
des Landesbetriebes Straßenbau Nordrhein-Westfalen, der die BASt beauftragt hatte, die entsprechenden Untersuchungen einzuleiten.
5
1 Einleitung
Die Überwachung und Prüfung von Brücken im
Zuge von Bundesfernstraßen erfolgt in Deutschland nach der DIN 1076 in festgelegten Zeitintervallen. Werden bei solchen Prüfungen Schäden
festgestellt, deren Schadensursache bzw. deren
Umfang nicht zweifelsfrei festgestellt werden kann,
wird im Rahmen der „Objektbezogenen Schadensanalyse“ (OSA) eine gesonderte Prüfung durchgeführt. Die Vorgehensweise ist im zugehörigen Leitfaden der BASt dokumentiert [1]. Bei der OSA
nehmen zerstörungsfreie Prüfverfahren im Bauwesen (ZfPBau-Verfahren) eine zunehmend wichtigere Rolle ein.
Verschiedene Untersuchungen von Spannbetonbrücken mit Ultraschallecho, Impakt-Echo und Radar an mehreren Spannbetonbrücken zeigen, dass
die Anwendbarkeit und Aussagefähigkeit der von
der BAM genutzten zerstörungsfreien Echo-Impuls-Verfahren in den vergangenen Jahren wesentlich verbessert wurde [2], [3], [4]. Dazu hat die
Entwicklung scannender Messwerterfassungssysteme beigetragen, mit denen die Prüfverfahren
automatisiert für flächige Untersuchungen angewendet werden können. Ebenso wurden durch die
Weiterentwicklung der Datenbearbeitung und –
visualisierung Verbesserungen bei der bildgebenden Darstellung der Ergebnisse und die Vereinfachung der Ergebnisinterpretation erreicht.
Zur Weiterentwicklung und Validierung der Verfahren ist ihre Erprobung an Brückenbauwerken
erforderlich, an denen die Ergebnisse der Untersuchungen verifiziert werden können. Aus diesem
Grund sind besonders Brücken geeignet, die ohnehin abgebrochen werden sollen. Das untersuchte
Bild 1
Brückenbauwerk im Zuge der A1 bei Hagen
/Schwerte wurde von der BASt und dem Landesbetrieb Straßenbau NRW ausgewählt (Bild 1).
Aufgrund des bereits erfolgten Abbruchs einer
Richtungsfahrbahn (Richtung Dortmund) vor Beginn der hier dokumentierten Untersuchungen und
der visuellen Bemusterung der abgebrochenen
Spannbetonbauteile wurde von unzureichend verpressten Längs- und Querspanngliedern in dem
hier dokumentierten Teil der Brücke (Richtung
Bremen) ausgegangen. Diese Vermutung wurde
leider im Zuge der Abrissarbeiten nicht bestätigt.
Bei den durchgeführten Untersuchungen wurde
neben Scannersystemen, die mit Dübeln am Bauwerk befestigt werden, erstmals ein von der BAM
entwickeltes Scannersystem eingesetzt, das mit
Saugfüßen durch Unterdruck am Bauwerk befestigt wird.
Die Auswertung von Ergebnissen, die durch scannende Ultraschallmessungen gewonnen wurden,
erfolgte im Zusammenhang mit Modellierungen unter Berücksichtigung der vorhandenen Konstruktion. Die Vorgehensweise ist in [5] beschrieben.
Darüber hinaus wurden die Ergebnisse mit Hilfe
der Phasenauswertung, deren Grundlagen in [6]
beschrieben werden, ausgewertet.
Zur korrekten Auswertung von Ergebnissen und
der zuverlässigen Angaben von Bauteildicken und
Reflektortiefen ist die Kenntnis der Schallgeschwindigkeit und ihrer Streuung von besonderem Interesse. Für Fundamente wurden bereits umfangreiche Untersuchungen zur Messunsicherheit durchgeführt [8]. Untersuchungen zur Streuung der Schallgeschwindigkeit am hier untersuchten Brückenbauwerk werden in diesem Bericht dokumentiert.
Blick von oben auf die Brücke im Zuge der A1. Im Vordergrund ist das neu erstelle Brückenbauwerk (Fahrtrichtung
Köln), im Hintergrund die alte zu untersuchende Brücke (Fahrtrichtung Bremen) zu sehen
6
Das Konzept der automatisierten ZfPBau-Anwendungen und deren Ergebnisse werden nachfolgend detailliert beschrieben. Die Interpretation der
Ergebnisse erfolgt zunächst ohne Beachtung der
zerstörenden Untersuchungen.
2007-08-08 bis 2007-08-09 Verifizierung der
Messergebnisse durch Entnahme von Bohrkernen.
2 Prüfaufgabe und Leistungen
2.1
Prüfaufgabe
Die Aufgabe besteht in der bildgebenden Darstellung und Interpretation von Ergebnissen der eingesetzten zerstörungsfreien Prüfverfahren Ultraschallecho, Impakt-Echo und Radar. Dabei stehen
neben der Rekonstruktion der inneren Struktur der
untersuchten Bauteile (Lage und Tiefe schlaffer
Bewehrung und von Spanngliedern) Aussagen
zum Verpresszustand der vorhandenen Spannglieder im Mittelpunkt.
Die Messungen werden mit automatisierten
Datenerfassungssystemen, so genannten Baustellenscannern aufgenommen. Zur Datenrekonstruktion mit intelligenten Auswertungsalgorithmen und
zur zuverlässigen Angabe Bauteildicken bzw.
Hüllrohrtiefen ist die Kenntnis der Schallgeschwindigkeit und ihrer Streuung über das gesamte Bauteil von Bedeutung. An den Längsträgern wurden
umfangreiche Messungen zur Bestimmung der
Schallgeschwindigkeit und der zugehörigen Unsicherheit durchgeführt, die als Anhaltswerte für
weitere Prüfaufgaben dienen.
2.2
Umfang / Leistungen
Die nachfolgend aufgeführten Leistungen wurden
erbracht:
2007-03-28 bis 2007-03-29 Vorabbesichtigung,
Planung des Messeinsatzes und Festlegung
der Messflächen
2007-04-16 bis 2007-04-25 Messeinsatz unter
Verwendung von Scannersystemen zum Einsatz an vertikalen Flächen und über Kopf
2007-07-23 bis 2007-07-25 Messeinsatz unter
Verwendung von Scannersystem zum Einsatz
über Kopf. Zu dem Termin war die Verifizierung
durch zerstörende Untersuchungen vorgesehen, die jedoch erst später durchgeführt
werden konnte, nachdem der Verkehr von der
Brücke war.
Bild 2
Ansicht der zu untersuchenden alten Brücke mit
Abfanggerüst und Treppenturm (Fahrtrichtung
Bremen)
7
3 Untersuchtes
Brückenbauwerk
Die untersuchte Brücke besteht aus zwei Richtungsfahrbahnen, von denen jede ein separates
Bauwerk darstellt. Sie wurde im Jahr 1957 geplant.
Zum Zeitpunkt der Untersuchung im Jahr 2007 war
das Bauwerk der Fahrbahn Richtung Köln bereits
abgerissen. Die Untersuchungen erstrecken sich
nur auf das Bauwerk der Fahrbahn Richtung Bremen. Bild 1 zeigt die Brücke im April 2007; im
Vordergrund ist die bereits neu hergestellte Fahrbahn Richtung Köln zu sehen, im Hintergrund das
alte Brückenbauwerk. Bild 2 zeigt die alte Brücke
mit Blick auf das die Bahngleise überspannende
Feld und das für den bevorstehenden Abriss aufgebaute Abfanggerüst. Des Weiteren ist der Treppenturm zu sehen, der den Zugang zu den Messflächen ermöglichte.
Die Brücke ist als Dreifeldbrücke mit schiefwinkligen Plattenbalken ausgeführt. Ein Feld (Feldweite 27,27 m) überspannt die Kreisstraße K21,
das mittlere Feld (Feldweite 35,05 m) die Bahnstrecke und ein Feld (Feldweite 27,27 m) befindet
sich im Bereich der Baustelleneinrichtung. Der
schiefwinklige Plattenbalken besteht aus fünf
Stegen und der an beiden Rändern auskragenden
Fahrbahnplatte, die mit den Stegen monolithisch
verbunden ist. Die Stege werden durch je einen
Querträger
je
Feld
unterbrochen.
Dieser
Querträger läuft parallel zur Übergangskonstruktion. Bild 4a zeigt einen Ausschnitt des Grundrisses des Plattenbalkens. In Bild 4b ist der Längsschnitt der Brücke zu sehen. Bild 4c zeigt einen
Querschnitt durch den Plattenbalken. Die Lage der
1
untersuchten Bauteile (Längsträger 1, 2 und 3
sowie Fahrbahnplatte zwischen Längsträger 1 und
2 oberhalb der Bahntrasse) ist in den Bildern eingezeichnet. Die untersuchten Längsträger haben
eine planmäßige Dicke von 35 cm und eine Gesamthöhe von 145 bis 155 cm. Die Dicke der Fahrbahnplatte beträgt außerhalb der Voute nach
Bohrkernentnahme 20 cm. Die Dicke des Querträgers wird mit 60 cm angegeben.
Die Stege sind in Längsrichtung mit dem System
Baur-Leonhardt vorgespannt. Die Fahrbahnplatte
ist in Querrichtung mit Leoba-Spanngliedern vorgespannt. Für die Querträger sind in den vorliegenden Planunterlagen keine Spannglieder eingezeichnet. Das von Fritz Leonhardt und Willi Baur
entwickelte Spannsystem wurde in Deutschland ab
1949 verwendet und besteht aus steifen Blech-
1
Die Träger 1, 2 und 3 werden in den Bestandsplänen auch als
Steg 5, 6 und 7 bezeichnet
kästen, in die Litzen oder Spanndrähte einlegt und
mit zementösem Füllgut verpresst wurden. Das
hier verwendete System besteht aus Blechkästen
mit B/H von 123/135 mm, in die 11 Litzen nebeneinander in 12 Reihen übereinander verlegt wurden. Jede Litze besteht aus 6 Drähten ∅3,06 mm
und 1 Litze ∅3,15 mm (Felten und Guilleaume,
Karlswerk, Köln, Bruchfestigkeit 180 kg/mm²). Der
Blechkasten besitzt zwischen den Umlenkstellen
eine Wanddicke von 1 mm. An den Umlenkstellen
selbst beträgt die Wanddicke 4 mm. Die Besonderheit dieses Verfahrens besteht im geringen
Flächenanteil des Verpressmörtels von rd. 10%
und der Konzentration großer Vorspannkräfte in
nur einem Spannkanal.
Untersuchungen durch die BASt und Straßen
NRW nach Abriss des Bauwerks der Fahrtrichtung
Köln deuteten auf umfangreiche Verpressfehler
vorwiegend in den Querspanngliedern hin (Bild 3),
so dass die Richtungsfahrbahn Bremen zur
Untersuchung ausgewählt wurde.
Bild 3
Querspannglieder der Richtungsfahrbahn Köln
8
(a)
(b)
(c)
Bild 4
a) Ausschnitt aus dem Grundriss der Fahrbahnplatte; b) Längsschnitt der Brücke; c) Querschnitt durch den Plattenbalken
der Richtungsfahrbahn nach Bremen (untersuchter Teil) d) Konstruktion des Hüllkastens
9
4 Beschreibung der großflächig
angewandten ZfPBauVerfahren
4.1
Allgemeines
Für die Analyse der inneren Bauteilstrukturen wurden drei zerstörungsfreie Prüfverfahren angewendet:
•
Ultraschallecho
•
Radar
•
Impakt-Echo
am größten. Als Messergebnis werden die Intensitäten der zur Bauteiloberfläche zurück reflektierenden Schwingungsimpulse über die Zeit erfasst.
Stellt man für eine Punktmessung diese Intensität
über der Zeit dar, spricht man von einem A-Bild.
A-Bild
385
350
300
250
200
150
100
50
0
-50
-100
-150
Bei den drei Verfahren handelt es sich um EchoVerfahren, d. h. der Energieeintrag und die Erfassung der vom Bauteil reflektierten Energie erfolgen von derselben Seite. Für die zerstörungsfreien Untersuchungen ist somit eine einseitige
Zugänglichkeit der Bauteile ausreichend.
Radar ist ein elektromagnetisches Verfahren, mit
dem schnell und zuverlässig Bauteildicken bestimmt und schlaffe Bewehrung, Spannkanäle und
größere Hohlstellen geortet werden können.
Die beiden akustischen Verfahren, Impakt-Echo
und Ultraschallecho, werden ebenfalls zur Dickenbestimmung und zur Ortung der Spannkanäle angewendet. Darüber hinaus sollen mit den Verfahren die Bauteile auf eventuelle Verdichtungsmängel im Betongefüge und vor allem auf gegebenenfalls vorhandene Verpressfehler in den
Spannkanälen untersucht werden.
-200
-250
-300
-350
-400
-439
0
20
40
Bild 5
60
80
100
120
140
160
180
200
220
240
260
280
300
320
340
360
380
400
420
440
460
491
Ultraschall-A-Bild (aus Messfeld Fahrbahnplatte)
Werden mehrere Ultraschallmessungen entlang einer Linie durchgeführt und stellt man die Amplituden der dabei erhaltenen A-Bilder entlang einer
Messstrecke farbcodiert dar, so entsteht ein so
genanntes B-Bild. Da Ultraschall-Prüfköpfe für die
Anwendung im Beton typischerweise keinen fokussierten Schallstrahl sondern ein geöffnetes Schallbündel ausstrahlen, werden auch Objekte, die sich
seitlich der aktuellen Messposition befinden, erfasst und erscheinen im B-Bild als Hyperbeln.
Durch Automatisierung der Messverfahren konnten
große Messflächen mit allen drei Verfahren vergleichend untersucht werden. Als Neuentwicklung
wurde ein Scanner eingesetzt, dessen Füße durch
Unterdruck am Bauwerk befestigt werden können.
Dieser sogenannte „Saugscanner“ wurde über
Kopf eingesetzt.
Im Folgenden werden die drei angewendeten
ZfPBau-Verfahren beschrieben.
4.2
Ultraschallecho
Für Messungen mit dem Ultraschallecho-Verfahren
werden auf der Bauteiloberfläche durch eine
elektrische Pulsanregung punktuell akustische
Schallimpulse im Frequenzbereich von 20 bis
200 kHz erzeugt [3]. Die Impulse breiten sich im
Bauteil aus und werden an innenliegenden Grenzschichten (durch Lufteinschlüsse, Bewehrungsstahl, Gesteinskörnungen) bzw. an der Bauteilrückseite gestreut, reflektiert und gebeugt. Für die
Wellenausbreitung ist die akustische Impedanz der
unterschiedlichen Materialien maßgebend. Die Reflexion der Schallwellen ist beim Übergang zu Luft
Bild 6
Ultraschall-B-Bild (aus Messfeld Fahrbahnplatte).
Die Querspannglieder sind als Hyperbeln sichtbar
Unter Berücksichtigung der im Bauteil vorherrschenden Schallgeschwindigkeit können aus den
gemessenen Laufzeiten die Messtiefen reflektierender Objekte bestimmt werden. Bei der flächigen
Anwendung der Verfahren erfolgen zahlreiche
Punktmessungen in einem vorher gewählten
Raster.
10
Zur Verbesserung des Signal-/Rausch-verhältnisses werden die Daten mit 3D-SAFT-Programmen rekonstruiert. Die Rekonstruktion der Daten
wurde an der BAM sowie der Universität Kassel
durchgeführt. An der BAM kamen hierbei Programme zum Einsatz, die am Fraunhofer Institut für zerstörungsfreie Prüfung IZfP (für mit Scannern aufgenommene Messdaten) sowie an der Universität
Kassel (für mit dem Linienarray aufgenommene
Daten) entwickelt wurden. Aus den in einem zweidimensionalen Raster an der Oberfläche aufgenommenen Ultraschallechosignalen erfolgt unter
Berücksichtigung der Schallgeschwindigkeit die
Rückrechnung auf die dreidimensionale Reflektorverteilung im Prüfobjekt. Bei der Rekonstruktionsberechnung dieses Laufzeit-SAFT-Algorithmus
werden die Ultraschallsender und -empfänger getrennt voneinander berücksichtigt. Die Interpretation der SAFT-Ergebnisse erfolgt anhand von
SAFT-B/C-Bildern bzw. Projektionen.
Bild 7
SAFT-B-Bild (Messfeld Fahrbahnplatte). Deutlich
erkennbar sind die Querspannglieder und die
Rückwand.
Das Ultraschallecho-Verfahren eignet sich aufgrund der zu Grunde liegenden Wellencharakteristik zur Bestimmung von Bauteildicken, zur Ortung
von Spanngliedern sowie zur Ortung von Verpressfehlern in Spanngliedern und von ausreichend großen Kiesnestern im Konstruktionsbeton
[5].
Für die Erkennung von Verpressfehlern wurden
bisher zwei Kriterien angewandt. Zum einen ist die
Amplitude des reflektierten Signals in unverpressten Bereichen höher, zum anderen kommt es an
Lufteinschlüssen zu Abschattungseffekten, so
dass dort neben dem Eintrittsecho des Ultraschallsignals in das Hüllrohr keine Signale aus
tieferen Bereichen der Hüllrohr-Rückseite zu
beobachten sind.
Beide Kriterien konnten sowohl in Laborversuchen
an Probekörpern als auch in Praxisanwendungen
beobachtet und verifiziert werden, allerdings zeigte
sich, dass die Deutlichkeit der zugrunde liegenden
Effekte von vielfältigen Randbedingungen abhängt.
Eine verbesserte Aussagesicherheit lässt sich
durch ein neues Kriterium erreichen, das auf der
Beobachtung der Phasenlage des reflektierten
Signals beruht [6]. Diese Methode nutzt den Effekt,
dass sich die Reflexion von Ultraschallwellen beim
Übergang zu einem akustisch dichteren Medium
(z.B. von Beton zu Stahl) anders darstellt als beim
Übergang zu einem akustisch dünneren Medium
(z.B. von Beton zu Luft). Zwischen beiden besteht
unter idealen Bedingungen ein Phasenunterschied
von 180°.
11
4.3 Radar
Radar wird im Bauwesen in verschiedenen
Bereichen eingesetzt. In der Richtlinie B10 der
DGZfP
werden
Anwendungsbeispiele
zur
Objektortung und Feuchteverteilung in Mauerwerk,
Spannglied- und Bewehrungsortung, Ortung von
Ankern in Betonfahrbahnen, Belagschichtdickenmessung an Brücken sowie Baugrunderkundung
beschrieben. Dort werden ausführlich die Grundlagen aufgezeigt, die auf der Aussendung elektromagnetischer Wellen und der Einleitung in das zu
untersuchende Bauteil beruhen. In der Baupraxis
werden zur Untersuchung von Betonbauteilen Antennen mit Mittenfrequenzen im Bereich von
500 MHz bis 2 GHz verwendet. Die Wellenausbreitung im Bauteil hängt von der Verteilung der dielektrischen Eigenschaften ab. Auf ihrem Weg wird
die Welle an Grenzflächen von Materialien mit
unterschiedlichen dielektrischen Eigenschaften gestreut und reflektiert, wie in Bild 8 dargestellt.
An der Grenzfläche Luft/Beton (Bauteilrückwand,
Fehlstelle) entstehen Reflexionen. An der Grenzfläche Beton/Metall (schlaffe Bewehrung, Hüllrohr)
treten Totalreflexionen auf. Die mit der Empfangsantenne aufgenommenen Reflexionen und Streuungen werden als Funktion der Laufzeit t digital
aufgezeichnet (A-Bild). Ist die Dielektrizitätszahl
des untersuchten Baustoffs und damit die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Wellen bekannt,
lässt sich aus der Laufzeit der Reflexionen die Tiefe der Reflektoren (Rückwand, Bewehrung, Grenzfläche/Fehlstelle) ermitteln. Stellt man die Amplituden mehrerer A-Bilder entlang einer Messstrecke
farbcodiert dar, so entsteht ein Radargramm (BBild). Die Reflexionen der Bewehrungsstäbe sind
im B-Bild an den typischen Reflexionshyperbeln zu
erkennen.
Die entlang einer Linie aufgenommenen Radardaten werden während der Messungen auf dem
Display des Radargerätes angezeigt. In der als
Radargramm bezeichneten Darstellung sind die
Amplituden und Phasen der empfangenen elektromagnetischen Impulse über die Zeit in Form von
Grauwerten abgebildet. Aufgrund des Abstrahlwinkels der Radar-Antenne erscheinen die Reflexionen an metallischen Einbauteilen im Radargramm als Diffraktionshyperbeln. Ihre Entstehung
ist im Bild 9 schematisch aufgezeigt.
Bild 9
Typisches Reflexionssignal eines metallischen
Einbauteiles im Radargramm (Diffraktionshyperbel).
Die tatsächliche laterale Position der Reflektoren
liegt im Scheitelpunkt der Hyperbeln und kann aufgrund des unmittelbaren Bezugs zu den Koordinaten der Messfläche unmittelbar angegeben wer-
Bild 8
Prinzip des Impulsradars: Ausbreitung und Reflexion
einer Impulswelle
den. Der Abstand der Reflektoren von der Messoberfläche kann erst bestimmt werden, wenn die
Laufzeitachse der Radargramme unter Berücksichtigung der Dielektrizitätskonstante g r in eine
Tiefenachse umgerechnet wurde. Zur Tiefenkalibrierung ist die im untersuchten Bauteil vorherrschende Dielektrizitätskonstante g r bzw. die
Wellenausbreitungsgeschwindigkeit anhand von
Reflektoren mit bekannter Betondeckung oder aus
den Öffnungswinkeln der Diffraktionshyperbeln zu
bestimmen.
Die Überlagerung verschiedener Diffraktionshyperbeln kann zu Fehlinterpretationen führen. Untersuchungen an anderen Ingenieurbauwerken haben
gezeigt, dass die Lesbarkeit der Ergebnisdarstellung, die Aussagezuverlässigkeit und die Informationsdichte bei Radar-Untersuchungen durch
3D-Rekonstruktionsberechnungen und Datenfusion deutlich gesteigert werden kann.
12
Für die 3D-Rekonstruktionsberechnungen werden,
die in parallel geführten Messspuren aufgenommenen Daten in einen Datensatz zusammengefügt
und anschließend die Messdaten auf die Reflektorverteilung im Prüfobjekt zurückgerechnet. An
der BAM wird für die 3D-Rekonstruktionsberechnungen bei Radar ein 3D-FT-SAFT-Programm der Universität Kassel genutzt. Die Daten
werden für die Berechnung mit Hilfe der Fourier
Transformation (FT) in den Frequenzbereich überführt. Im Ergebnis werden die in den Radargrammen abgebildeten Diffraktionshyperbeln unter
Annahme einer konstanten Signalausbreitungsgeschwindigkeit und unter Berücksichtigung des
Öffnungswinkels der Radarantenne (i. d. R. 45°) in
ihrem Scheitelpunkt fokussiert. Die Fokussierung
erfolgt auch für Hyperbeln, die durch Abschattung
nur unvollständig im Radargramm angezeigt
werden.
4.4
Impakt-Echo
4.4.1 Verfahrensprinzip
Das Impakt-Echo-Verfahren (IE) ist ein akustisches Verfahren, das mit Frequenzen im hörbaren
Schallbereich arbeitet. Die Analyse der Daten
findet nicht im Zeitbereich durch eine Laufzeitmessung statt, sondern im Frequenzbereich.
An der Bauteiloberfläche bewirkt der Einschlag
eines kleinen Hämmerchens oder einer Stahlkugel
einen mechanischen Puls, wodurch eine transiente
Schallwelle erzeugt wird, die sich im Bauteil ausbreitet. An Grenzflächen, Flächen, die Stoffe unterschiedlicher Dichte und E-Moduln trennen, wird ein
Bild 10
Teil der Schwingungsenergie reflektiert; die Reflexion wird mit wachsendem Dichte- und EModulunterschied und daraus folgendem Schallgeschwindigkeitsunterschied stärker.
Die Stoßwelle wird zwischen der Rückwand bzw.
der Störung und der Oberfläche mehrfach reflektiert. Der Puls ist eine breitbandige Anregung,
die einen gewissen Frequenzbereich mit Wellen
unterschiedlichster Wellenlängen, je nach Auswahl
des Hämmerchens, umfasst. Die einfallende und
die reflektierte Welle überlagern sich mit den
weiteren Reflexionen der Vorder- und Rückseite.
Die Wellenlänge, die ein bestimmtes Vielfaches
des Abstands der Grenzflächen ist, bildet eine
stehende Welle. Die Wellenlängen, die kein bestimmtes Vielfaches des Abstandes sind, löschen
sich gegenseitig aus. Diese Schwingungen werden
an der Bauteiloberfläche mittels eines Schwingungsmessers aufgenommen. Um die Messdaten
interpretieren zu können, wird das Messsignal aus
dem Zeitbereich in den Frequenzbereich transformiert und hinsichtlich seiner maßgeblichen Frequenz (f) ausgewertet. Aus der Beziehung d=c/2f
ergibt sich bei bekannter Schallgeschwindigkeit (c)
die Dicke (d) des Bauteils.
4.4.2 Visualisierung der Messdaten:
Die größte Einschränkung ist bislang die Tatsache,
dass IE ursprünglich ein Punktmessverfahren ist.
Zudem muss das erzeugte Signal ausreichend
Energie im entsprechenden Frequenzbereich beinhalten, so dass es zu der beschriebenen Vielfachreflexion kommen kann, ohne dass das Signal zu
links: Funktionsweise des Impact-Echo-Verfahrens
rechts: Datenvisualisierung von 1D-, 2D- und 3D-Datensätzen des Impact-Echo-Verfahrens
13
abgeschwächt ist. Demnach müssen passende
Sensoren und Gerätschaften verfügbar sein, um
die Signale in dem gewünschten Frequenzbereich
zu erzeugen und zu messen. Zur Lösung einiger
dieser Probleme ist in der BAM ein automatisiertes, scannendes Impakt-Echo-Verfahren mit
Software zur Echtzeitdarstellung der Messdaten
entwickelt worden. Die Betrachtung zweidimensionale Querschnitte (B–Bild oder Impaktechogramm)
eines Bauteils wurde dadurch ermöglicht.
Die Messwertaufnahme erfolgt entlang festgelegter
Linien an äquidistanten Punkten. Durch die Transformation des Zeitsignals in das Frequenzspektrum sind die vorherrschenden Frequenzen anhand der Maximalamplituden zu identifizieren.
Werden die einzelnen Frequenzspektren nun nicht
als Kurven dargestellt, sondern in Abhängigkeit
von der Größe der vorhandenen Amplituden als
abgestufter Grau-Weiß-Streifenplot, erhält man auf
diese Weise aneinander gehängt das Impaktechogramm des untersuchten Bereiches (eine QuasiSicht auf den Querschnitt). Diese vertikalen
Schnitte durch das untersuchte Element haben auf
der horizontalen Achse die Position der Prüfeinheit
auf der Oberfläche sowie auf der vertikalen Achse
die Frequenz oder die Reflektortiefe. Diese Art der
Datenvisualisierung erleichtert die Auswertung, da
hier auch gleichmäßige Muster im Echogramm, die
sich erst durch das Zusammenfügen der einzelnen
Messpunkte ergeben, sichtbar gemacht werden.
Ein weiterer Schritt in der Auswertung der Daten
ist die Analyse des durch Kombination mehrerer
paralleler Messlinien entstehenden dreidimensionalen Datensatzes. Diese Darstellung ermöglicht
nun zweidimensionale Tiefenschnitte durch den
Prüfkörper, was zu einer erweiterten Aussagefähigkeit der Auswertung führt. Dadurch können
vorhandene Strukturen sichtbar gemacht werden,
die weder im A- noch im B-Bild zu identifizieren
sind.
4.5
Verfahrenskombination
Ziel der Datenfusion ist es, die Interpretation der
Messergebnisse zu vereinfachen und die Aussagezuverlässigkeit zu erhöhen.
Mit Hilfe verschiedener Operationen werden die
einzelnen Ergebnisse von gleichen oder aber auch
von unterschiedlichen Messverfahren überlagert.
Abhängig von der Wahl der Operationsalgorithmen
werden die für den Bearbeiter wesentlichen Informationen in einem Datensatz komprimiert.
Sowohl Rohdaten als auch bearbeitete, wie z. B.
SAFT-rekonstruierte Datensätze können fusioniert
werden. Die Datensätze müssen zuvor in ein definiertes Referenzsystem überführt werden. Das
Referenzsystem legt die Auflösung, die Größe und
das Koordinatensystem des Fusionsdatensatzes
fest. Alle zu fusionierenden Datensätze müssen in
ihren geometrischen Eigenschaften diesem Referenzsystem angepasst werden.
Unmittelbar vor der Fusion der Datensätze ist es
möglich, die Signale je nach Bedarf mit dem Fusionsprogramm zu bearbeiten. Z. B. kann jeder
Datensatz mit einer linearen oder nicht linearen
Funktion tiefenabhängig gewichtet werden, um den
unterschiedlichen Eigenschaften der Verfahren bezüglich der maximalen Eindringtiefe bedingt durch
Absorption, Reflexion und Streuung Rechnung zu
tragen. Stark verrauschte Datensätze können
sowohl im Zeitbereich als auch räumlich mit
unterschiedlichen Filtern geglättet werden. Außerdem ist es möglich, nur die Änderungen der Amplituden in z-Richtung bei der Fusion zu berücksichtigen.
Die eigentliche Fusion basiert auf der Überlagerung der verschiedenen Datensätze mittels einfacher mathematischer Operationen. Neben Addition, Subtraktion, Division und Durchschnitt können
auch ausschließlich die maximalen Werte aller
Datensätze im Fusionsdatensatz berücksichtigt
werden. Des Weiteren existiert die Möglichkeit,
zwei Datensätze mit einem vorher definierten, richtungsorientierten Fokus zu kombinieren. Mit dieser
Operation ist es möglich, vorwiegend in eine Richtung ausgedehnte Strukturen wie Bewehrungsstähle oder auch Spannkanäle richtungsabhängig
herauszufiltern. Nicht zuletzt können natürlich alle
erwähnten Operationen beliebig miteinander kombiniert werden [12].
14
5 Verwendete Messtechnik
5.1
Automatisierung
Seit 2003 wurden zur Verbesserung der
Messwerterfassung verschiedene Scannersysteme
in der BAM entwickelt, die automatisierte
Flächenmessungen mit Ultraschallecho, ImpaktEcho und Radar an Ingenieurbauwerken gestatten.
Von Seiten der Mechanik handelt es sich um
Schienen-Wagen-Systeme, mit denen verschiedene Prüfsensoren zweidimensional über die von
Schienen eingeschlossene Fläche verfahren werden können.
Bild 12
5.2
Unterdruck-Scanner mit zerstörungsfreier
Befestigung am Bauwerk beim Einsatz an der
Unterseite der Fahrbahnplatte
Ultraschallecho
In Hagen wurde für die automatisierten Messungen am Bauwerk ein modifiziertes Ultraschallarray
mit 24 Punktkontaktprüfköpfen der Fa. ACSYS
(Russland) als Sensor eingesetzt. Die Größe dieses Arrays beträgt 6 x 10 cm2 und der Abstand
zwischen den Prüfkopfspitzen jeweils 2 cm.
Bild 11
Klassisches Scannersystem, bestehend aus zwei
Linearantrieben am Steg der Brücke
An der Brücke Hagen-Schwerte wurden zwei verschiedene Scannersysteme eingesetzt. Zum einen
ein klassisches, sehr flexibles System, das durch
Ankerbolzen am Bauwerk befestigt wird (Bild 11).
Zum anderen ein neuer Scanner, der durch Erzeugung von Unterdruck an vier Saugfüßen am
Bauteil gehalten wird. Der erforderliche Unterdruck
von 0,8 bar wird mit Hilfe einer Venturipumpe
erzeugt, die permanent mit einem Druck von 3-4
bar zu versorgen ist. Das System von der Größe
1,60 m x 1,20 m ist in Bild 12 dargestellt.
Das Verfahren, Positionieren, Andrücken der
Messköpfe (Ultraschall-Echo und Impakt-Echo)
sowie die Auslösung der Messungen und die
Messwerterfassung werden durch mehrere von der
BAM entwickelte Programme gesteuert, die über
ein Netzwerk miteinander kommunizieren.
Die Prüfköpfe haben eine breitbrandige Charakteristik bei einer Mittenfrequenz von 50 kHz. Es
handelt sich um Transversalwellenprüfköpfe, von
denen jeweils 12 parallel als Sender und die
anderen 12 parallel als Empfänger arbeiten. Durch
die Parallelschaltung der Prüfköpfe wird eine
höhere Schalldruckamplitude sowie ein geringerer
Öffnungswinkel des Schallbündels gegenüber
einem Einzelprüfkopf erreicht.
Die Punktkontaktprüfköpfe weisen einen großen
Vorteil gegenüber den bisher verwendeten Prüfköpfen auf. Koppelmittel, wie z. B. Vaseline oder
Glycerin, sind nicht erforderlich.
Während der Messungen muss der Messkopf an
die Messoberfläche angedrückt und ein möglichst
konstanter Andruck aller 24 Prüfköpfe realisiert
werden. Die Einzelprüfköpfe sind federnd gelagert,
wodurch gewisse Unebenheiten der Oberfläche
(laut Herstellerangaben darf die Rauhigkeit der
Oberfläche bis zu 8 mm betragen) ausgeglichen
werden können.
Die Ultraschallecho-Messköpfe waren so angebracht, dass die ausgesendeten Transversalwellen
parallel zu den jeweils zu untersuchenden Spanngliedern polarisieren.
Bei den automatisierten Ultraschallecho-Messungen wird vom Messrechner ein Sendeimpuls
ausgelöst. Die durch die Empfangsprüfköpfe um-
15
gewandelten Spannungsimpulse werden im Messkopf verstärkt und zur A/D-Umwandlung an die
ADU-Baugruppe des Messrechners weitergeleitet.
Zusätzlich zu den automatisierten Messungen
wurden manuelle Messungen durchgeführt. Hierbei kamen die kommerziell erhältlichen Ultraschallgeräte ACSYS A1220 Monolith und A1040
Polygon zum Einsatz.
Bild 14
Bild 13
Ultraschallgerät ACSYS A1220 mit Prüfkopf
Das Ultraschallmessgerät A1220 (Bild 13) nutzt
als Sensor dasselbe Prüfkopfarray, das auch – in
einer leicht modifizierten Version – am Scanner
zum Einsatz kam.
Im Bestreben, auch bei Handmessungen eine
bildgebende SAFT-Auswertung zu ermöglichen
und die Mess- und Auswertezeiten zu verkürzen,
wurde von BAM und ACSYS in Kooperation das
Messgerät A1040 Polygon (Bild 14) entwickelt. Es
nutzt das Funktionsprinzip eines multistatischen
Linienarrays. Mehrere (8 bis 16, in der zum Einsatz
gekommenen Ausbaustufe 10) Prüfkopfmodule
sind hintereinander angeordnet.
Auf jedem dieser Prüfkopfmodule befinden sich 4
Transversalwellen-Prüfköpfe, die ausgesandten
Wellen sind senkrecht zur Array-Achse polarisiert.
Eine Besonderheit dieses Linienarrays ist, dass die
Analog-Digital-Umsetzung direkt in den Prüfkopfmodulen stattfindet. Zwischen den Prüfkopfmodulen und dem ins Gerät eingebauten Steuerungsmodul werden nur digitale Daten übertragen, ebenso zwischen Steuerungsmodul und dem per Netzwerkkabel mit dem Linienarray verbundenen Computer.
Ultraschall-Linienarray (oben) mit den 10
Prüfkopfmodulen, Messprinzip (unten)
Während der Messung werden die Prüfkopfmodule
sequentiell so angesteuert, dass jedes Modul genau einmal als Sender (wobei alle anderen Module
als Empfänger agieren) und sonst als Empfänger
arbeitet. So erhält man schon bei der Messung an
einer Stelle gleich eine Vielzahl von Kurven mit
verschiedenen Sender- und Empfängerpositionen,
aus denen mit geeigneter Software sehr schnell
ein zweidimensionales B-Bild rekonstruiert werden
kann. Führt man mehrere Messungen entlang
einer Linie durch, wobei das Array parallel verschoben wird, lassen sich aus den so gewonnenen
Daten schnell ein dreidimensionales Abbild des
Rekonstruktionsraumes bzw. entsprechende Bund C-Bilder erzeugen.
5.3
Radar
Die Radaruntersuchungen am Brückenbauwerk
erfolgten mit dem kommerziellen SIR-20 Radargerät von der Firma GSSI (USA). Zur Erzielung
einer geeigneten Auflösung wurden die Messungen mit einer 1,5 GHz-Antenne vom gleichen
Hersteller eingesetzt. Die Polarisationsrichtung des
von der Antenne abgestrahlten elektrischen Feldes
war senkrecht zur Messrichtung eingestellt. Alle
Messungen wurden im Echo-Betrieb durchgeführt.
Jedes Messfeld wurde mit jeweils horizontalen und
vertikalen Messspuren mit einem Spurabstand von
5 cm untersucht. Der Messpunktabstand entlang
einer Messlinie betrug 2,5 mm. Der Abstand
zwischen Antenne und Bauteiloberfläche betrug
zwischen 0,5 cm und 1,5 cm.
16
5.4
Impakt-Echo
Bild 15
IE-Messkopf von Olson Instruments
An der Brücke der Autobahn 1 in Hagen wurde ein
Messkopf der Firma Olson (Olson Instruments
INC, IE1, Bj. 1998) verwendet (Bild 15).
Die Anregung erfolgt über einen elektromagnetisch
beschleunigten Stahlimpaktor, der die Form einer
Halbkugelscheibe mit 3 mm Durchmesser hat. Die
Kontaktzeit des Stahlimpaktors auf der Messoberfläche beträgt 0,067 ms und Frequenzen von 1
kHz bis ca. 20 kHz werden angeregt. Bei einer
Wellengeschwindigkeit in Beton von 4000 m/s sind
somit Wellenlängen von minimal 20 cm zu erwarten und damit entspricht die minimal zu detektierende Dicke 10 cm.
Vom Stahlimpaktor 4 cm entfernt befindet sich ein
Beschleunigungssensor. Mit diesem werden die
empfangenen akustischen Wellen in elektrische
Signale umgewandelt. Das Signal wird durch einen
Verstärker entsprechend verstärkt und in einer
Messwerterfassungskarte digitalisiert. Die digitalisierten Daten werden vom Messwerterfassungsprogramm auf dem Mess- und Steuerrechner
gespeichert sowie zu einer sofortigen vorläufigen
Analyse bereitgestellt. Von der Scannersteuersoftware werden die jeweiligen Ortskoordinaten an
das Messwerterfassungsprogramm geliefert, sodass ein ortsaufgelöster Datensatz abgespeichert
wird.
Bei den Impakt-Echo-Messungen wurden die
Messwerte entlang von Linien aufgenommen, wobei der Linienabstand gleich dem Abstand
zwischen zwei Messpunkten auf einer Linie war.
Es wurde mit einer Schrittweite von 2,5 cm gemessen. Die Messung fand an jedem Punkt drei
mal statt, anschließend wurden die Messungen
addiert, um das Rauschen, da es beliebig auftritt,
zu unterdrücken, und den Einfluss von Fehlmessungen zu minimieren.
17
6 Modellierung und
Simulationsrechnungen
6.1
Allgemeines
Simulationsrechnungen sind insbesondere dann
sinnvoll, wenn keine Erfahrungen mit den zerstörungsfreien Prüfverfahren für ein Vorspannsystem vorliegen, was mit dem vorhandenen System Baur-Leonhardt der Fall ist. Um die Interpretation der am Steg gewonnenen UltraschallMessdaten zu erleichtern und die Messung besser
an das Prüfobjekt anzupassen, wurden im Vorfeld
der Messungen umfangreiche Simulationsrechnungen an der Universität Kassel durchgeführt. Des
Weiteren führen die geometrischen Verhältnisse
(vordere und rückwärtige Hüllkastenwand laut Bestandsunterlagen nahezu in den Drittelspunkten
der Stegbreite) dazu, dass bei plangerechter Herstellung die Reflexionen von der Rückseite des
Hüllkastens sowie der Bauteilrückwand zeitlich mit
den Mehrfachreflexionen von der Vorderseite des
Hüllkastens zusammenfallen.
kastens, Bauteilrückwand) handelt, wurde der
Hüllkasten im Modell jeweils einmal zentrisch
(Betondeckung beidseitig 12 cm) und einmal exzentrisch (Betondeckung auf der Seite, von der
gemessen wurde, 9,5 cm) angeordnet (Bild 16).
Es wurden Simulationsrechnungen mit jeweils 35
verschiedenen Prüfkopfpositionen durchgeführt,
anschließend wurde mit den so gewonnenen
synthetischen Daten eine Rekonstruktion mit dem
FT-SAFT-Algorithmus durchgeführt. Damit wurde
erreicht, dass ein Vergleich zwischen realen Messdaten und Simulations-Ergebnis nicht nur auf Basis der A-Bilder sondern auch anhand der rekonstruierten Daten möglich ist.
6.2
Repräsentative Einzelbilder
Im Folgenden werden die Ergebnisse der Simulationsrechnungen kurz vorgestellt. Hierfür wurde
repräsentativ jeweils der Fall ausgewählt, in dem
der sendende Prüfkopf zentrisch über dem Hüllkasten steht.
Für die Simulationsrechnungen wurden drei Fälle
modelliert:
1. guter Verpresszustand
2. unverpresst
3. guter Verpresszustand mit asymmetrischer
Litzenanordnung
Um klarer erkennen zu können, welche Signalanteile auf Mehrfachreflexionen von der Vorderseite des Hüllkastens zurückgehen und bei welchen es sich um echte Reflexionen von tiefer liegenden Reflektoren (bspw. Rückseite des Hüll-
(a)
Bild 16
(b)
Geometrie des für die Simulationsrechnungen verwendeten Modells: symmetrische (a) und asymmetrische (b)
Litzenanordnung
18
Zentrisch angeordneter Hüllkasten
Exzentrisch angeordneter Hüllkasten
(a)
(b)
guter Verpresszustand, symmetrische Litzenanordnung
(c)
(d)
unverpresst, symmetrische Litzenanordnung
(e)
(f)
guter Verpresszustand, asymmetrische Litzenanordnung
Bild 17
Wellenfronten und A-Bilder nach EFIT-Simulation
19
Vergleicht man die Ergebnisse der Simulation mit
unverpresstem Hüllkasten mit denen der entsprechenden Modelle mit gut verpresstem Hüllkasten,
fallen einige signifikante Unterschiede auf.
Der Ersteinsatz des ersten Echos (in dem Modell
mit zentrisch angeordnetem Hüllkasten bei ca. 80
µs, in dem Modell mit geringerer Betondeckung bei
ca. 60 µs) tritt bei guter Verpressung (Bild 17a, b
und e, f) später auf als im Fall des unverpressten
Hüllrohrs (Bild 17c, d). Außerdem ist die Phasenlage des Signals im unverpressten Fall gegenüber
dem Fall mit gutem Verpresszustand gedreht.
Ersteres entspricht den bekannten Beobachtungen
in anderen Fällen, denen zufolge bei gutem
Verpresszustand das signifikante Echo nicht vom
Übergang Beton-Hüllrohr sondern vom Übergang
Verpressmörtel-Litzenbündel hervorgerufen wird.
Letzteres entspricht dem in 4.2 beschriebenen
Prinzip, das der Phasenauswertung zum signifikanten Nachweis von Verpressfehlern zugrunde
liegt.
Betrachtet man den weiteren Signalverlauf im Falle
des zentrisch angeordneten Hüllkastens, so fällt
auf, dass in dem Fall des unverpressten Hüllkastens die weiteren Echos (bei ca. 170 µs und bei
ca. 260 µs) klar erkennbar sind und die Phasenlage dieser Signale der Phasenlage des ersten
Echos entspricht. Dies deutet darauf hin, dass es
sich um Mehrfachreflexionen des ersten Reflektors, also der Hüllkastenwand handelt. In den
Fällen mit gutem Verpresszustand sind diese
Signale nicht mehr klar zu erkennen, außerdem ist
die Phasenlage des zweiten Echos gegenüber der
des ersten gedreht. Dies spricht dafür, dass sich
hier jeweils die Mehrfachreflexionen des ersten
Reflektors mit den Reflexionen der tiefer liegenden
Reflektoren (hintere Hüllkastenwand, Bauteilrückwand) überlagern. Ein Blick auf die Signalverläufe, die aus den Modellen mit exzentrisch
angeordnetem Hüllkasten hervorgingen, bestätigt
diese Annahme.
6.3
Rekonstruktion der synthetischen
Daten
Die Rekonstruktion der synthetisch gewonnenen
Daten zeigt nochmals, wie schwierig eine Interpretation der Messergebnisse nur anhand der
Bilder ist. Am wirklichkeitsnahen Modell (Bild 18
und Bild 19 a, c und e) des zentrisch angeordneten
Hüllkastens ist das erste Echo von der Hüllkastenvorderseite bzw. dem Litzenbündel sowohl in den
Amplituden- (Bild 18) als auch den Phasenbildern
(Bild 19) eindeutig in einer Tiefe von ca. 12 cm
erkennbar. Wie ein Vergleich mit dem Modell des
Hüllkastens mit geringerer Betondeckung zur
Messoberfläche (Bild 18 Bild 19 b, d und f) zeigt,
gehen die weiteren angezeigten Reflektoren im
Bereich des Hüllkastens auf Mehrfachreflexionen
am ersten Reflektor zurück. Im Falle des unverpressten Hüllkastens (Bild 18c) treten diese
scheinbaren Reflektoren deutlicher hervor als im
Falle des verpressten Hüllkastens (Bild 18a und e),
wo es zu einer Überlagerung von Mehrfachecho
und tatsächlicher Reflexion an tiefer liegenden
Reflektoren kommt. Dies führt dazu, dass im Falle
des gut verpressten Hüllkastens die Bauteilrückwand hinter dem Hüllkasten nicht mehr erkennbar
ist, während an dieser Stelle im Falle des unverpressten Hüllkastens ein deutliches Signal zu
sehen ist. Ohne Kenntnisse aus der Simulationsrechnung könnte man hier zu einem falschen Ergebnis gelangen, da man das nicht vorhandene
Rückwandecho im Falle des gut verpressten Hüllkastens als Abschattung infolge einer Fehlstelle
interpretieren könnte, während man beim gut erkennbaren Mehrfachecho am unverpressten Hüllkasten ein klares Rückwandsignal, also einen Hinweis auf einen guten Verpresszustand vermuten
könnte.
20
(a)
(b)
(c)
(d)
(e)
(f)
Bild 18
FT-SAFT-Rekonstruktion der durch EFIT-Simulation gewonnenen Daten, Amplitudenauswertung
21
(b)
(a)
(d)
(c)
(e)
(f)
Bild 19
FT-SAFT-Rekonstruktion der durch EFIT-Simulation gewonnenen Daten, Phasenauswertung
22
1.25
0.30 0.025
1.50
1.10
1.50
1.50
1.50
0.695
1.50
0.30
0.578
0.821
1.25
1.495
Fahrbahnplatte
Messfeld 4
5.26
Messfeld 3
Messfeld 2
Messfeld 1
7.00
1.75
17.51
Bild 20
Ansicht Träger 2 (Steg 5) nach Bestandsplänen mit Lage der Messflächen
7 Durchführung der Messung
7.2
7.1
7.2.1 Automatisierte Messungen
2 Messfelder 1,50 x 1,00 m²
Träger 2 (Steg 6)
0.80
Messfeld 6 Messfeld 5
0
0
0.117
Messfeld 9 Messfeld 8
Achse
Querträger
3.50
0.124
Pfeiler II
0.55
Messfeld 7
Fahrbahnplatte
5 Messfelder 1,50 x 0,80, m² davon eins von
beiden Seiten
1 Messfeld 0,90 x 0,90 m² (Vakuumscanner, nur IE
und US)
2 Messfelder 1,25 x 0,55 m² davon eins von
beiden Seiten
7.3
1 Messfeld 1,10 x 0,80 m²
Querträger
Die Lage der Messfelder ist in Bild 20 dargestellt.
7.1.2 Manuelle Messungen
• Radar: vertikale Spuren zur Spanngliedortung
•
•
IE: 2 horizontale Spuren für Validierung
mehrere vertikale Spuren in au
Bereichen
ffälligen
US: 2
horizontale
Spuren
so
Einzelmessungen für Validierung / Ermittlung
der Ausbreitungsgeschwindigkeit;
wie
1 Spur entlang der Spanngliedachse mit
Lineararray
Bild 22
Ansicht Querträger nach Bestandsplänen mit Lage
der Messfläche
2 horizontale Spuren (US-Lineararray) in Höhe der
Quervorspannung
7.4
Träger 1 (Steg 5)
2 horizontale Spuren für Validierung
Bild 21
Draufsicht Fahrbahnplatte nach Bestandszeichnungen mit Messfeldern
23
8 Auswertung und Ergebnisse
8.1
Steg
8.1.1
Ultraschall-Echo
Mit Hilfe des Ultraschallecho-Verfahrens konnte
der Hüllkasten in allen untersuchten Bereichen von
Träger 2 (Steg 6) geortet werden, wie aus Bild 24
ersichtlich ist. Dabei zeigte sich eine gute Übereinstimmung zwischen Bestandsplänen und Ultraschall-Ergebnissen.
An der Umlenkstelle in Messfeld 6 ist dieser Effekt
bei den Ergebnissen der Messung von der
Vorderseite kaum zu beobachten, hier sind die
Signale im Bereich rechts von der Umlenkstelle
insgesamt deutlich schwächer als rechts davon
(Bild 25). Bei den Ergebnissen der Messung von
der Rückseite, die in Bild 26 dargestellt sind, tritt
dieser Effekt wieder deutlich stärker auf.
Weder die Amplituden- noch die Phasenauswertung zeigten signifikante Hinweise auf Verpressfehler. Im Folgenden wird auf einige auffällige
Stellen näher eingegangen.
Die Umlenkstellen, an denen die Hüllkastenwand
stärker ist als in den geraden Bereichen – die
Wanddicke beträgt hier 4 mm statt 1 mm – und wo
sich außerdem zwischen Hüllkastenwand und
Litzenbündel 1 mm starke Gleitbleche befinden,
die die Reibung herabsetzen sollten, erscheinen
als Bereiche schwacher Reflexionen. An der Umlenkstelle in Messfeld 1 tritt dieser Effekt sehr
deutlich auf, wie aus Bild 23 hervorgeht.
Bild 25
Messfeld 6, gemessen von der Vorderseite: SAFTC-Bild des Ultraschall-Datensatzes in einer Tiefe
von 124 mm; Umlenkstelle zwischen 50 und 100 cm
(lokale Koordinaten)
Bild 26
Messfeld 6, gemessen von der Rückseite: SAFT-CBild des Ultraschall-Datensatzes in einer Tiefe von
104 mm; Umlenkstelle zwischen 50 und 100 cm
(lokale Koordinaten)
Bild 23
Messfeld 1: SAFT-C-Bild des UltraschallDatensatzes in einer Tiefe von 122 mm;
Umlenkstelle zwischen 50 und 100 cm (lokale
Koordinaten)
Bild 24
Träger 2 (Steg 6): Überlagerung von Bestandsunterlagen und SAFT-C-Bild (Fusion aller untersuchten Messfelder,
Schnitt in einer Tiefe von 12 cm)
24
Dieser Effekt, der in den C-Bildern besonders
deutlich wird, tritt auch in den entsprechenden BBildern zutage, wie Bild 27 zeigt. Im Bereich
außerhalb der Umlenkstelle (Bild 27 links) ist eine
sehr markante erste Reflexion, die von der Vorderseite des Hüllkastens hervorgerufen wird, erkennbar. Dahinter ist eine zweite Reflexion erkennbar,
die nicht eindeutig zugeordnet werden kann. Es
kann sich um ein Mehrfachecho der ersten Reflexion handeln, ebenso ist eine Reflexion von der
Rückseite des Hüllkastens möglich. Im Bereich
des Rückwandechos ist ein Abschattungseffekt
erkennbar.
Bild 28
Bild 27
Messfeld 6, gemessen von der Rückseite: SAFT-BBilder des Ultraschall-Datensatzes. links: normaler
Bereich, rechts: Umlenkstelle
Im Bereich der Umlenkstelle (Bild 27 rechts) hingegen tritt die erwartete Reflexion von der Hüllkasten-Vorderseite nicht deutlich aus dem Rauschen hervor. Tiefer liegende Reflexionen sind
ebenfalls nicht erkennbar, lediglich ein Abschattungseffekt im Bereich der Rückwandreflexion
weist auf den Hüllkasten hin.
Da die Messfelder 1 bis 5 lückenlos aneinander lagen und sie die gleiche Höhe aufwiesen, war es
möglich, die dort gewonnenen Daten gemeinsam
zu rekonstruieren. Dies geschah an der Universität
Kassel. Bei der Auswertung der rekonstruierten
Daten fiel auf, dass sich im Bereich der Messfelder
2 und 3 das zweite Echo deutlich von der
Umgebung unterscheidet (siehe Bild 28). Aus der
Tiefenlage dieser Reflexion und dem Rückwandecho ließen sich keine Hinweise auf Verpressfehler ableiten, die Phasenauswertung ergab ebenfalls keine Hinweise, da in den Bereichen außerhalb des markanten Signals die Amplituden deutlich unterhalb des für die Phasenauswertung noch
sinnvollen Schwellenwerts lagen.
Messfeld 1 bis 5, gemeinsam rekonstruiert: SAFT-CBild des Ultraschall-Datensatzes in einer Tiefe von
194 mm. Oben: Amplitudenauswertung mit deutlich
ausgeprägtem Zweiten Echo zwischen 2 und 3 m,
unten: Phasenauswertung, die den Anfangsverdacht
eines Verpressfehlers widerlegt.
25
8.1.2
Radar
Exemplarisch für die Radaruntersuchungen am
Steg werden im Folgenden die Ergebnisse des
Messfeldes 6 (Lage des Messfeldes siehe Bild 20)
beschrieben.
Die im Messfeld horizontal und vertikal aufgenommenen Datensätze wurden einzeln 3D-SAFT-rekonstruiert und anschließend zu einem Datensatz
fusioniert. In Bild 29 sind drei Tiefenschnitte (CBilder) dieses Fusionsdatensatzes, die parallel zur
Oberfläche in unterschiedlichen Tiefen verlaufen
dargestellt. Das C-Bild in 4 cm Tiefe zeigt zwei in
Brückenlängsrichtung verlaufende Bewehrungsstäbe, das C-Bild in 6,5 cm Tiefe die darunter
liegende Bügelbewehrung. Im Tiefenschnitt in
12 cm Tiefe ist der Verlauf des Hüllkastens ersichtlich.
Bild 30
Messfeld 6: SAFT-B-Bild des Fusionsdatensatzes.
Datensatz aufgenommen am Steg mit einer
1,5 GHz-Antenne.
Die jeweils einzeln aufgenommenen Datensätze
der Messfelder 1-9 wurden nach der Rekonstruktion zu einem zusammen hängenden Datensatz
mit den Abmessungen 11425 mm x 800 mm zusammengefügt. Bild 31 zeigt drei Tiefenschnitte
(C-Bilder) dieses Datensatzes, die parallel zur
Oberfläche in unterschiedlichen Tiefen verlaufen.
Im oberen Tiefenschnittbild in 8 cm Tiefe ist deutlich die Längs- und Bügelbewehrung zu erkennen.
Auffällig ist hier die fehlende mittlere Längsbewehrung am linken Feldrand im Bereich von
x = 10145 mm bis 12145 mm. Das Tiefenschnittbild in 13 cm Tiefe zeigt den Verlauf des Hüllkastens. Auch die hintere Bügel- und Längsbewehrung ist im unteren Tiefenschnittbild in 33 cm
Tiefe gerade noch sichtbar.
8.1.3 Impakt-Echo
Der Steg wurde durchgehend in neun Feldern
gemessen, wie bei den anderen Verfahren zuvor
beschrieben. Die Messfelder 1-6 wurden mit einem
Scanner mit einer Höhe von 80 cm abgefahren, die
Felder 7-9 mit einem Scanner der Höhe von 55
cm. Laut Plan verläuft der Hüllkasten in der
Ansicht von oben links nach unten rechts. Die
Wanddicke beträgt nach Messungen am Bauwerk
ca. 36 cm.
Bild 29
Messfeld 6: SAFT-C-Bilder eines
Fusionsdatensatzes in einer Tiefe von 4 cm (Bild
oben), 6,5 cm (Bild mitte) und 12 cm (Bild unten).
Datensatz aufgenommen am mit einer 1,5 GHzAntenne.
Das folgende Bild 30 zeigt ein SAFT-B-Bild
(Schnittbild) des Steges im Messfeld 6 in Brückenlängsrichtung. Sichtbar sind hier die Reflexionszentren der vorderen und hinteren Bügelbewehrung.
Im Bild 32 ist die Intensitätsverteilung für die
Anzeige der Rückwandfrequenz dargestellt. Zum
besseren Vergleich sind bei allen C-Bildern die
Messungen normiert worden. Die hellen Bereiche,
in denen die Intensität der Rückwandfrequenz
schwächer ist, stimmen mit der Lage des Hüllkastens überein. Ein typisches Indiz für einen
Hüllkasten bzw. für ein Hüllrohr ist eine Verschiebung der Rückwandreflexion im Bereich des
Hüllkastens zu tieferen Frequenzen [10]. Diese
Verschiebung mindert die Intensität im Bereich des
Hüllkastens.
26
y – Achse in mm
z = 80 mm
920
720
520
320
12145
10145
8145
6145
4145
2145
120
720
x – Achse in mm
z = 130 mm
y – Achse in mm
920
720
520
320
12145
10145
8145
6145
4145
2145
120
720
x – Achse in mm
z = 330 mm
y – Achse in mm
920
720
520
320
12145
10145
8145
6145
4145
2145
120
720
x – Achse in mm
Bild 31
Messfelder 1–9: SAFT-C-Bilder eines Fusionsdatensatzes in einer Tiefe von 8 cm (Bild oben), 13 cm (Bild mitte) und 33 cm (Bild unten). Datensatz aufgenommen am Steg mit einer
1,5 GHz-Antenne (Lage der Messfelder siehe Bild 20). Die y-Achse ist um den Faktor 2 gedehnt.
27
Im Frequenzbereich, der etwas niedriger liegt als
die Rückwandanzeige, was der durch den
Hüllkasten verschobenen Rückwandanzeige entspricht, zeichnet sich der Hüllkasten als schwarzes
Band mit hoher Intensität ab, wie im Bild 33
dargestellt.
Im Bild 32 ist die Hüllkastenanzeige an zwei Stellen (x zwischen 50 und 100 cm sowie 760 und 800
cm) unterbrochen; exakt an diesen Stellen befinden sich laut Plan die Umlenkpunkte.
In der linken Spalte der Tab. 2 (Hüllkasten außerhalb der Umlenkstellen) sind im oberen und
unteren Bereich des B-Bildes die Rückwandanzeigen bei 5860 Hz zu erkennen sowie die verschobene Rückwandanzeige bei 4922 Hz. Die zuletzt genannte Anzeige wird jedoch an der Rückseite von einer zweiten Anzeige mit 4609 Hz überlagert. Die über der Rückwandverschiebung als
Bogen zu erkennenden Anzeigen unterscheiden
sich als einzige Anzeigen in beiden Impaktechogrammen, an der Vorderseite mit 8516 Hz und an
der Rückseite mit 8125 Hz. Es muss sich mithin
um einen Reflektor handeln, der zwar die gleiche
Höhenlage, aber eine unterschiedliche Tiefe in
Messrichtung hat. So ist der Hüllkasten ein möglicher Reflektor, bei dem sich die Betondeckung
auf beiden Seiten unterscheidet. In der rechten
Spalte (an der Umlenkstelle) liegt die Rückwandanzeige bei 5860 Hz und die verschobene Rückwandanzeige bei 5469 Hz. Die Differenz ist wesentlich geringer. Des Weiteren sind die direkten
Reflexionen der Umlenkstellen ausschließlich in
der vorderen Messung vorhanden (f = 9766 Hz)
und wesentlich schwächer ausgeprägt.
Die direkte Reflexion ist jedoch keine sichere
Anzeige für den Hüllkasten, da diese nicht im
Bereich des gesamten Hüllkastens auftritt. An den
Umlenkpunkten könnte dies mit dem unterschiedlichen Aufbau zusammenhängen, jedoch fehlen
die Anzeigen auch in Bereichen des normalen
Hüllkastenaufbaus.
Das Fehlen und Erscheinen dieser Anzeigen sollte
näher untersucht werden, hierzu wurden in
Bereichen mit und ohne die direkten Reflexionen
Bohrkerne gezogen und untersucht inwieweit ein
unterschiedlicher Aufbau oder Verarbeitungsqualität dafür verantwortlich ist.
Das Fehlen der direkten Reflexionen ist in Bild 34
sowohl im Bereich von x zwischen 900 und 1100
cm als auch am Übergang zwischen 300 und 350
cm (BK14) zu erkennen. An diesen Stellen sowie
im Feld 2 (BK13) und 4 (BK7) mit direkten Reflexionen wurde zur näheren Untersuchung jeweils
ein Bohrkern gezogen (vgl. Anlage 1). Die Unter-
suchung der Bohrkerne zeigte, dass sich an beiden Positionen weder im Aufbau des Hüllkastens
noch in der Art des Verpressmörtels im Inneren
oder durch den, den Hüllkasten umgebenden Beton ein Unterschied ergibt. In Tab. 1 sind die BBilder und die Fouriertransformierte einer Punktmessung über dem Hüllkasten an den Positionen
des Bohrkerns 13 und 14 zum Vergleich dargestellt. In der linken Spalte ist im Bereich des Hüllkastens eine Doppelung der Anzeige zu sehen, in
der rechten Zeile ist dies nicht zu beobachten.
Zusammenfassend ist festzuhalten: Normalerweise können Hüllrohre mit Impakt-Echo nicht
durch eine direkte Reflexion der Hüllrohroberkante
nachgewiesen werden, sondern nur durch die
Verschiebung der Rückwandanzeige. Aus diesem
Grund erfolgt die Darstellung wie in Bild 32, wo die
hohe Intensität der Rückwandreflexion (schwarz)
in den Bereichen des Hüllrohrs durch die Verschiebung der Rückwandreflexion zu tieferen Frequenzen durch die geringeren Intensitäten (weiß)
gekennzeichnet ist. Alternativ kann auch, wie in
Bild 33 zu sehen, der niedrigere Frequenzbereich
dargestellt werden, in dem sich der Hüllkasten
durch hohe Intensitäten (schwarz) der verschobenen Rückwand abzeichnet. Die Umlenkpunkte mit
ihrem vom normalen Hüllkasten abweichenden
Aufbau können hier durch eine geringere Verschiebung der Rückwandanzeige identifiziert
werden.
Im Fall der hier vorhandenen Hüllkästen ist aufgrund der Form und der größeren Abmessungen
bereichsweise eine direkte Ortung des Hüllkastens
möglich (Bild 34). Ein Zusammenhang von Unterschieden im Aufbau und dem Auftreten bzw.
Fehlen der direkten Reflexion konnte nicht festgestellt werden.
28
Bild 32
Messfelder 1-9: Intensität des Rückwandechos im Bereich von 5,70-5,82 kHz. Die Umlenkpunkte sind zwischen 50 und 100 cm und 760 und 800 cm als Unterbrechung der
Hüllkastenabschattung zu erkennen. Schwarz entspricht einer hohen Intensität.
Bild 33
Messfelder 1-9: Intensität der Amplituden bei einer Frequenz von 4,62-5,06 kHz, was der durch den Hüllkasten zu niedrigeren Frequenzen verschobenen Rückwandanzeige entspricht.
Schwarz entspricht einer hohen Intensität.
29
Bild 34
Messfelder 1-9: Intensität der direkten Reflexion des Hüllrohres im Bereich zwischen 6,77-8,29 kHz. Schwarz entspricht einer hohen Intensität. Die direkte Reflexion ist trotz gleichem
Aufbau des Hüllkastens bereichsweise nicht erkennbar.
Bild 35
Messfelder 1-9: Als quasi Schnitt entlang des Hüllkastens zeigt das Impaktechogramm über den gesamten Bereich die verschobene Rückwandanzeige (untere Linie), nicht aber die
direkten Reflexionen des Hüllkastens, welche an mehreren Stellen unterbrochen sind (obere Linie). Schwarz entspricht einer hohen Intensität.
30
Obere Zeile: Linienmessungen im Feld 2 und 3 senkrecht über den Hüllkasten am Ort der späteren Bohrkernentnahme.
Schwarz entspricht einer hohen Intensität. Untere Zeile: Fouriertransformierte; rot Mittelwert, grün Einzelpunkt.
Bohrkern 13
Bohrkern 14
Messlinie 92 Punkt 30
Messlinie 119 Punkt 28
FFT
B-Bild
Tab. 1
Tab. 2
: Linienmessungen im Feld 6 senkrecht über den Hüllkasten hinweg. Schwarz entspricht einer hohen Intensität.
Messung
im Feld 6
Vorderseite
Rückseite
am Hüllkasten (außerhalb der
Umlenkstelle)
an der Umlenkstelle
31
8.2
Fahrbahnplatte
8.2.1 Ultraschall-Echo
An der Unterseite der Fahrbahnplatte wurden drei
Messfelder mit dem Ultraschallecho-Verfahren
untersucht (siehe Anlage 2). Exemplarisch wird an
dieser Stelle auf die Ergebnisse von Messfeld 1
eingegangen. Das Messfeld hat eine Breite von
100 cm und eine Länge von 150 cm und wurde in
einem Raster von 2,5 cm x 2,5 cm abgetastet.
Bild 36 zeigt ein B-Bild (Schnitt in Brückenlängsrichtung durch die Fahrbahnplatte) des SAFT-rekonstruierten 3D-Datensatzes. Deutlich erkennbar
sind die Querspannglieder in ca. 6 cm Tiefe, die
untereinander einen Abstand von 20 cm haben
sowie die Rückwand in einer Tiefe von 20 cm, die
deutlich schwächer auch in einer größeren Tiefe
als Mehrfachreflexion dargestellt wird. Außerdem
erkennbar ist eine horizontale Reflexion in ca. 30
cm Tiefe. Hier könnte es sich um eine Reflexion
von der Oberseite des Fahrbahnbelags handeln,
deren wirkliche Tiefenlage abweicht, weil der
Rekonstruktionsalgorithmus von einer konstanten
Schallgeschwindigkeit im Rekonstruktionsraum
ausgeht und die Schallgeschwindigkeit im Asphalt
geringer ist als im Beton.
Bild 36
SAFT-B-Bild von Messfeld 1 an der Unterseite der
Fahrbahnplatte. Projektion über die gesamte Breite
des Messfelds (Einheiten in mm).
Um den horizontalen Verlauf der Querspannglieder
im Messfeld sichtbar zu machen, wurde ein Schnitt
parallel zur Messoberfläche erzeugt, der in Bild 37
zu sehen ist.
Bild 37
SAFT-C-Bild von Messfeld 1 an der Unterseite der
Fahrbahnplatte. Darstellung der Spanngliedlage in
einer Tiefe von 7 cm (Einheiten in mm).
8.2.2 Radar
An der Unterseite der Fahrbahnplatte wurden mit
Radar zwei Messfelder mit jeweils einer Breite von
100 cm und einer Länge von 150 cm untersucht.
Die Felder lagen direkt aneinander, so dass sich
eine zusammenhängende Gesamtfläche der
Messfelder 1 und 2 von 100 cm x 300 cm ergibt
(Lage der Messfelder siehe Bild 21). Die horizontal
und vertikal aufgenommenen Datensätze jedes
Messfeldes wurden einzeln 3D-SAFT-rekunstruiert
und anschließend zu einem Datensatz fusioniert.
In Bild 38 sind zwei C-Bilder dieses Fusionsdatensatzes in unterschiedlichen Tiefen dargestellt. Das C-Bild in 4 cm Tiefe zeigt die oberflächennahe schlaffe Bewehrung. Auffällig ist die
nicht parallel zur Oberfläche verlaufende Querbewehrung. An den Feldrändern ist sie bereits in
4 cm Tiefe sichtbar, zur Mitte hin weist sie dagegen eine größere Betondeckung auf.
Bild 38
SAFT-C-Bild des Fusionsdatensatzes in einer Tiefe
von 4 cm (Bild oben) und 6,5 cm (Bild unten), Lage
der Messfelder siehe Bild 21. Datensatz aufgenommen an der Fahrbahnplatte mit einer 1,5 GHzAntenne.
32
Das C-Bild in einer Schnitttiefe von 6,5 cm zeigt
deutlich den Verlauf von 15 Querspanngliedern,
die einen Achsabstand von 20 cm aufweisen.
In Bild 39 ist ein Schnittbild (SAFT-B-Bild) der
Fahrbahnplatte in Brückenlängsrichtung dargestellt. Sichtbar sind hier die Reflexionszentren der
schlaffen Querbewehrung und Querspannglieder
in 4 bis 6 cm Tiefe sowie ein über die gesamte
Messfläche verlaufende Reflexion in ca. 27 cm
Tiefe, die (vermutlich von der Fahrbahnfläche der
Platte verursacht wird).
Bild 40
Bild 39
8.2.3
SAFT-B-Bild des Fusionsdatensatzes. Datensatz
aufgenommen an der Fahrbahnplatte mit einer
1,5 GHz-Antenne (Lage der Messfelder siehe Bild
21).
Impakt-Echo
An der Unterseite der Fahrbahnplatte wurden die
Messfelder 1 und 2 untersucht, die aneinander anschließen. Sie hatten jeweils eine Breite von
100 cm und eine Länge von 150 cm (Lage der
Messfelder siehe Bild 21). Der Aufbau der
Fahrbahnplatten bestand aus einer Schicht von
20 cm Beton und einem bituminösen Fahrbahnbelag von 8 cm. Während der Messungen war der
Brückenabschnitt, an dem gemessen wurde, unter
Verkehr. Die durch die LKW hervorgerufenen Erschütterungen verursachen Auslenkungen vornehmlich senkrecht zur Fahrbahnoberfläche und
damit genau in Messrichtung des Sensors. Diese
Vibrationen sind in ihrer Amplitude wesentlich größer als die der Amplituden des Messsignals, das
durch die Überlagerung unbrauchbar wird. Dies
war bei einem Teil der Messergebnisse der Fall.
Bei den Messungen an den senkrechten Flächen
überlagern sich die, durch den Verkehr hervorgerufenen Vibrationen nicht mit dem Messsignal,
da die Auslenkungen orthogonal zueinander sind
und die Amplituden sich nicht addieren.
Impaktechogramm an der Fahrbahnplatte im
Bereich von Messfeld 1. Darstellung der
Frequenzamplituden der ersten Messlinie. Schwarz
entspricht einer hohen Intensität.
In Bild 40 sind die gestörten Messungen als abwechselnd hell dunkle Bänder zu erkennen; bei
den ungestörten Messungen ist die Rückwandanzeige bei 6-7 kHz sowie eine zweite schwächer
ausgeprägte Anzeige bei rd. 13 kHz gut zu erkennen. Da die beiden Anzeigen parallel zueinander verlaufen und betragsmäßig der doppelten
Frequenz entsprechen, kann davon ausgegangen
werden, dass es sich um die nächst höhere harmonische Schwingung handelt.
Laut US- und Radar-Messungen verlaufen in geringem Abstand Hüllrohre quer zu dem im Bild 40
dargestelltem Impaktechogramm. Diese sind jedoch aufgrund des geringen Hüllrohrdurchmessers
(im Vergleich zum Hüllkasten am Steg) mit ImpaktEcho-Messungen nicht zu orten. (Siehe auch
8.3.3)
Die Anzeige von 7 kHz im Bereich des später gezogenen Bohrkerns BK1 (siehe Kapitel 10.2)
würde bei einer angenommenen Bauteildicke von
20
cm
einer
Schallgeschwindigkeit
von
c = 7000*0,2*2 = 2800 m/s entsprechen. Diese
Geschwindigkeit ist für den verbauten Beton zu gering. Demnach muss die Anzeige der gemeinsamen Dicke von Beton und der bituminösem
Fahrbahn zugeordnet werden.
Zu einem späteren Zeitpunkt war der Fahr-bahnbelag entfernt worden, und es konnten Handmessungen im Bereich der beiden Messfelder durchgeführt werden.
33
8.3
Bild 41
Fouriertransformierte Handmessung im Bereich des
ersten Feldes in der Nähe des Bohrlochs.
Die im Bereich des Bohrkerns BK1 mit 20 cm
Länge ermittelten Frequenzanzeigen ergaben eine
Frequenz von 11.161 Hz Bild 41, was einer Schallgeschwindigkeit von c= 11 161*0,2*2 = 4464 m/s
entspricht.
Querträger
8.3.1 Ultraschall-Echo
Mit dem Ultraschallecho-Verfahren in automatisierter Anwendung wurde am Querträger ein Messfeld
einer Breite von 125 cm und einer Höhe von 55 cm
in einem Raster von 2,5 cm untersucht (Bild 22).
Bild 42 zeigt eine Projektion des mit einem SAFTAlgorithmus rekonstruierten 3D-Datensatzes über
die gesamte Breite des Messfeldes. Deutlich erkennbar sind zwei Hüllrohre in einer Tiefe von 13
cm sowie die Rückwand des Bauteils in 60 cm
Tiefe. Deutlich schwächer erkennbar ist die in einer Tiefe von ca. 6 cm liegende horizontale Bewehrung des Querträgers, die sich knapp oberhalb
der Hüllrohre befindet. In dieser Darstellung ist
kaum vom Rauschen unterscheidbar die vertikale
Bewehrung des Querträgers in einer Tiefe von ca.
4-5 cm. Diese wird normalerweise durch Radarmessungen dargestellt.
Bei bekannter Schallgeschwindigkeit für beide
Schichten zusammen und der der Betonschicht
kann die Schallgeschwindigkeit für Bitumen mit
c Bit = 3.005 m/s angegeben werden.
Bild 42
SAFT-B-Bild, Projektion über die gesamte Breite des
Querträger-Messfelds (Einheiten in mm)
In der folgenden Abbildung, einem Tiefenschnitt,
wird der Verlauf der Spannglieder über die Breite
des Querträger-Messfelds sichtbar.
Bild 43
SAFT-C-Bild, Projektion über die Spanngliedlage in
einer Tiefe von 13-18 cm des Querträger-Messfelds
(Einheiten in mm)
34
Die in den vorliegenden Bestandsunterlagen nicht
verzeichneten Querspannglieder wurden zusätzlich manuell mit dem Linienarray untersucht, mit
dem die SAFT-Rekonstruktion direkt auf der Baustelle ausgeführt wird und die rekonstruierten Daten wenige Minuten später zur Verfügung stehen.
Das Array wurde hierbei senkrecht zu den Spanngliedern ausgerichtet und entlang der Spanngliedachse parallel um 2 cm verschoben. Dabei wurden
dieselben Bereiche abgedeckt, die auch Gegenstand der Scannermessung waren.
In Bild 44 sind die Ergebnisse der Messung mit
dem Linienarray am oberen Spannglied, die mit
einem an der Universität Kassel entwickelten
SAFT-Algorithmus ausgewertet wurden, dargestellt. Deutlich ist das erste Spannglied erkennbar,
ebenfalls eine kurz dahinter liegende zweite Reflexion, die von der Rückseite des Hüllrohres verursacht sein kann. Aufgrund des gegenüber dem am
Scanner verwendeten Prüfkopfarrays größeren
Öffnungswinkels der im Linienarray eingesetzten
Prüfkopfmodule wird ebenfalls das rückwärtige
Spannglied abgebildet, das bei der Scannermessung aufgrund von Abschattungseffekten unsichtbar bleibt. Die Rückwand des Querträgers in einer
Tiefe von 60 cm wird ebenfalls gut abgebildet.
Bild 44
Querträger: Messung mit Linienarray am entlang des oberen Spannglieds: links oben C-Bild, vordere Spanngliedlage, links
unten B-Bild quer zum Spannglied, rechts unten B-Bild längs zum Spannglied, rechts oben dreidimensionale Darstellung. Die
Hüllrohre in einer Tiefe von ca. 13 und ca. 40 cm (Eintrittsecho) sind gut erkennbar
35
8.3.2
Radar
Am Querträger wurde mit dem Radarverfahren das
gleiche Messfeld wie zuvor mit Ultraschall mit einer
Breite von 125 cm und einer Höhe von 55 cm
untersucht (Lage des Messfeldes siehe Bild 22).
Die folgenden beiden Abbildungen zeigen exemplarisch zwei Tiefenschnitte (C-Bilder) aus dem
fusionierten und 3D-FT-SAFT-rekonstruierten Datensatz. Einen Überblick über die Lage der oberen
Bewehrung gibt das in Bild 45 dargestellte C-Bild
des Fusionsdatensatzes in einer Tiefe von 5 cm.
messen werden. Bei allen Darstellungen wurde
eine integrale Normierung vorgenommen, um Intensitätsschwankungen durch unterschiedliche
Oberflächenbeschaffenheiten und damit variierende Ankoppelbedingungen zu vermeiden.
Bild 47
Bild 45
von 5 cm des Messfelds am Querträger (Lage des
Messfeldes siehe Bild 22).
In Bild 46 ist das SAFT-C-Bild in einer Tiefe von
12 cm dargestellt. Deutlich sichtbar ist hier der
Hüllrohrverlauf im Messfeld. Die Rückwand konnte
bei einer Bauteildicke von ca. 60 cm mit der
verwendeten 1,5 GHz-Antenne (Eindringtiefe in
Beton unter günstigen Bedingungen von 50 cm)
nicht detektiert werden.
Im Bild 47 ist die Rückwand eindeutig zu erkennen; das Rückwandecho liegt bei 3,52 kHz. Die
hyperbelförmigen Muster im B-Bild sind Geometrieeffekte. Diese entstehen durch Reflexion der
Oberflächenwellen an den Bauteilkanten und enthalten keine Tiefeninformationen.
Bild 48
Bild 46
8.3.3
Vertikales Impaktechogramm am Querträger.
Schwarz entspricht einer hohen Intensität Messfeld
Qt1
Ausschnittsvergrößerung von Bild 47. Schwarz
entspricht einer hohen Intensität.
von 12 cm (Lage des Messfeldes siehe Bild 22).
Impakt-Echo
Am Querträger wurde das gleiche Feld wie zuvor
beschrieben mit einer Länge von 125 cm und einer
Höhe von 55 cm im 2,5 cm-Raster gescannt. Die
Dicke des Bauteils konnte aufgrund der Zugänglichkeit nur am unteren Rand mit 60 cm ge-
In Bild 48 einer Ausschnittsvergrößerung von Bild
47, im Frequenzbereich von 2-5 kHz, ist eine
Verschiebung
der
Rückwandfrequenz
von
3,59 kHz auf 3,44 kHz zu erkennen. Die an der
Unterkante gemessene Dicke von 60 cm entspricht
bei der Rückwandfrequenz von 3,44 kHz einer
Schallgeschwindigkeit von 4128 m/s, was den an
anderen Bauteilen ermittelten Werten entspricht.
Diese Rückwandfrequenzänderung wird vor allem
im C-Bild bei 3,59 khz deutlich und lässt auf eine
36
Änderung der Wanddicke oder der Schallgeschwindigkeit schließen.
Einfüllrohr
Bild 50
Bild 49
C-Bild des Querträgers; Intensität der Amplituden
bei 3,59kHz. Schwarz entspricht einer hohen
Intensität. Messfeld Qt1
Des Weiteren sind keine Rückwandverschiebungen im B-Bild (Impaktechogramm) sowie im CBild, die indirekt auf Hüllrohre schließen lassen, zu
erkennen. Den US- und Radaruntersuchungen zur
Folge sind zwei Hüllrohre in einer Tiefe von ca.
15 cm vorhanden. Die Hüllrohre sind ellipsoid mit
einem maximalen Durchmesser von 4 cm und
einem minimalen Durchmesser von 2 cm.
Aufgrund der verwendeten Wellenlängen beim IEVerfahren und der Dicke der Wand, ist die Ortung
von Elementen dieser Größe normalerweise nicht
möglich.
8.4
Messfeld 9: SAFT-C-Bilder eines
Fusionsdatensatzes in einer Tiefe von 5 cm.
Datensatz aufgenommen am Steg mit einer
1,5 GHz-Antenne.
Einfüllrohr am Steg
8.4.1 Radar
In dem, am Steg aufgenommenen Messfeld 9
(Lage des Messfeldes siehe Bild 20), zeigt sich in
dem 3D-Saft-rekonstruierten und fusionierten
Radardatensatz ein oberflächennaher deutlicher
Reflektor. Abbildung Bild 50 zeigt einen Tiefenschnitt (C-Bild) in 5 cm Tiefe dieses Datensatzes,
in dem dieser Reflektor deutlich sichtbar ist. Eine
darauf hin durchgeführte Bohrkernentnahme
zeigte, dass es sich hierbei um ein metallisches
Einfüllrohr handelt. Das Rohr konnte auf den cm
genau geortet werden, wobei die Hauptschwierigkeit in der genauen Übertragung der präzise
ermittelten Lage bestand (vgl. Abs. 10.4).
8.4.2 Impakt-Echo
Neben der Ortung des Hüllrohres im Steg wurden
die Messergebnisse auf weitere im Beton
verborgene Reflektoren hin untersucht. In Feld 9
konnte im C-Bild bei 11,22 kHz eine Intensitätsspitze gefunden werden Tab. 3 mittlere Zeile.
Betrachtet man den Messpunkt im Frequenzbereich Tab. 3 untere Zeile so ist neben dem
Rückwandsignal bei 6kHz die oben genannte
Anzeige bei 11,2 kHz sowie eine weitere Anzeige
bei 21,5kHz zu sehen. Alle drei Anzeigen sind als
Intensitätsmaxima auch im B-Bild Tab. 3 obere
Zeile zu identifizieren sowie deren geringe Ausdehnung in Messrichtung. Zum Vergleich sind
auch benachbarte Punkt- und B-Bildauswertungen
angeführt, in denen die Anzeigen bei 11,2 sowie
21,5kHz nicht mehr auftreten.
Eine Auswertung der Tiefenlage ist nicht möglich,
zum einen aufgrund der geringen lateralen Ausdehnung des Reflektors und der sich damit
ergebenen Randeffekte, zum anderen, da Erfahrungen mit dem Übergang zu einem akustisch
dichteren Medium fehlen. Bei dem Verifizierungstermin wurde an dieser Stelle im Messfeld 9 ein
Bohrkern (BK9) gezogen; der Reflektor hatte eine
Tiefenlage von 4 cm bei einem Durchmesser von 3
cm, siehe auch Kapitel 10.4 .
37
Tab. 3
B-Bilder und Fouriertransformierte in der oberen und unteren Spalte, Intensitätsplott (C-Bild) bei 11,22kHz von Feld 9 in
der mittleren Spalte. Der Einfüllstutzen ist als dunkler Punkt in der Mitte der mittleren Linie zu sehen. Schwarz entspricht
einer hohen Intensität. Die gestrichelten Linien geben die Orte der Schnitte an.
B
B
i
l
d
C
B
i
l
d
F
F
T
Messlinie 1065
Messlinie 1067
Messlinie 1075
38
9
Validierungsmessungen
9.1
Allgemeines
Ziel der Validierungsmessungen ist eine möglichst
präzise Angabe der vorhandenen Schallgeschwindigkeit von Transversalwellen und ihrer zugehörigen Messunsicherheit bzw. Streuung entlang des
untersuchten Bauteils. Da bei den Untersuchungen
nur die Schallgeschwindigkeit von Transversalwellen ermittelt wurde, ist im Weiteren nur noch
von Schallgeschwindigkeit die Rede. Die Kenntnis
des Streuverhaltens der Schallgeschwindigkeit
entlang eines Bauteils, in diesem Fall entlang von
vorgespannten Längsträgern, ist die grundlegende
Voraussetzung für die Angabe der Unsicherheit mit
der eine Bauteildicke als Messergebnis angegeben
werden kann. Insbesondere für Transversalwellen
existieren bislang wenige Auswertungen, die die
Streuung der Schallgeschwindigkeit dokumentieren. Die durchgeführten Untersuchungen an
ausgewählten Längsträgern der hier beschriebenen Brücke bilden eine Ergänzung der in [8]
veröffentlichten Streuungen der Schallgeschwindigkeit, die an Fundamenten ermittelt wurde.
sich nach GUM Typ B [9] unter Annahme einer
Rechteckverteilung eine Standardabweichung von
1/√3 = 0,6 mm. Zusammen mit der maximalen Die
Ermittlung der kombinierten Standardabweichung
erfolgt nach der Gauß’schen Unsicherheitsfortpflanzung für die als unkorreliert angenommene
Bauteildicke und Laufzeit.
Tab. 4
Punkt
R4.1
R5.1
R5.2
R6.1
R6.2
R7.1
R7.2
t
257,7
250,1
247,0
255,4
252,1
258,8
272,2
0,7
0,6
0,5
0,8
0,4
0,8
0,8
358
357
356
357
35,6
362
362
0,6
0,6
0,6
0,6
0,6
0,6
0,6
2778
2855
2883
2796
2824
2798
2660
[µs]
u t [µs]
d
[mm]
ud
[mm]
v
[m/s]
u v,c
[m/s]
9.2
Schallgeschwindigkeit an
Referenzpunkten
Zunächst wird die Schallgeschwindigkeit an sieben
Referenzpunkten ermittelt, an denen die Dicke des
Längsträgers in den Grenzen von +/- 1 mm
bekannt war. An jeder Referenzstelle wurden 10
Messungen unter Wiederholungsbedingungen (10
mal Ankoppeln des Ultraschallprüfgeräts, gleiche
Stelle, gleicher Prüfer, gleicher Zeitpunkt) durchge-r
führt und die zugehörige Laufzeit aus den Daten-r
sätzen (ASCII-Dateien) abgelesen. Aus den gemessenen Laufzeiten wurde mit der bekannten
Dicke an dieser Stelle der Mittelwert und die
Standardabweichung für die Schallgeschwindigkeit
für jede Referenzstelle ermittelt. Die Dicke wurde
genau an der Messstelle bestimmt, indem de
Längsträger nach der Messung senkrecht zu
Oberfläche durchbohrt wurde und die Dicke direkt
gemessen wurde. Die Ergebnisse sind in Tabelle
Tab. 4 dokumentiert.
Erwartungsgemäß treten sehr kleine Streuungen
auf, die im wesentlichen auf Abweichungen durch
das 10-malige Ankoppeln des Messgeräts und die
Messunsicherheit des Geräts zurückzuführen sind.
Diese Streuung ist in Form der Standardabweichung in Tab. 4 angegeben. Dazu kommt noch
die Unsicherheit aus der ungenauen Kenntnis der
Bauteildicke an jeder Messstelle, die in den Grenzen von +/- 1 mm bestimmt wurde. Daraus ergibt
Ermittlung der Schallgeschwindigkeit für
Transversalwellen und der zugehörigen Unsicherheit
am Längsträger 2 (Westseite)
t
9
6
6
9
10
9
8
0,3%
0,2%
0,2%
0,3%
0,4%
0,3%
0,3%
: mittlere Laufzeit an der Referenzstelle
u t : Unsicherheit der Laufzeitmessung (Standardabweichung); d: Bauteildicke; v : mittlere Schallgeschwindigkeit (Transversalwellen); u v,c : kombinierte
Unsicherheit der Schallgeschwindigkeit
Die Schallgeschwindigkeit kann mit dem vorhandenen Ultraschallmessgerät für eine Stelle, an
der mit geringer Unsicherheit die Bauteildicke
bekannt ist, mit einer Standardabweichung von
deutlich unter 1% sehr präzise angeben werden.
Der Vergleich untereinander der sehr präzise an
den einzelnen Referenzstellen ermittelten Schallgeschwindigkeiten zeigt deutlich größere Abweichungen. Diese Abweichungen sind der Streuung
der Schallgeschwindigkeit des Betons infolge unterschiedlicher Verdichtung geschuldet. Um ein
vollständiges Bild über die Streuung der Schallgeschwindigkeit entlang eines Bauteils zu erhalten,
wurden Messlinien entlang der Längsträger aufgenommen. Die Ergebnisse sind im nachfolgenden Abschnitt dokumentiert.
39
9.3
Schallgeschwindigkeit entlang
von Messlinien
Um die Streuung der Schallgeschwindigkeit entlang von Bauteilen zu quantifizieren, wurden entlang Träger 2 und Träger 3 je zwei Messspuren
(oberhalb und unterhalb der Spannglieder) auf
10 m Länge in einem Abstand von 10 cm von
Messpunkt zu Messpunkt untersucht. In Bild 51
sind die Reflexionen der Rückwand über der
Laufzeit dargestellt. Man erkennt Abweichung der
Rückwandreflexionen, die bei einer nahezu konstant vorhandenen Dicke primär auf die Streuung
der Schallgeschwindigkeit entlang der Messlinie
zurückzuführen sind.
Aus den Datensätzen (ASCII-Daten) wurde für
jeden Messpunkt die gemessene Laufzeit abgelesen. Ebenso wurde an der Unterkante des
Längsträgers für jeden Messpunkt die Dicke mit
einem Messstab bestimmt. So konnte für jeden
Messpunkt die Schallgeschwindigkeit berechnet
werden. Die Einzelergebnisse wurden in Histogrammen zusammengefasst, um die Streuung der
Schallgeschwindigkeit grafisch ablesen zu können.
Die Histogramme der ermittelten Schallgeschwindigkeiten sind für jede der insgesamt vier Messspuren an den Trägern 2 und 3 in Bild 52 dargestellt. Man erkennt, dass die Messlinien oberhalb der Spannglieder im Mittel zu etwas höheren
Schallgeschwindigkeiten mit etwas geringerer
Streuung tendieren, verglichen mit den Messlinien
unter dem Spannglied.
Alle Einzelwerte wurden einer statischen Auswertung unterzogen, wobei der Mittelwert und die
Standardabweichung berechnet wurde. Die aus
diesen Parametern sich ergebende Wahrscheinlichkeitsdichtefunktion (Gauß’sche Normalverteilung mit Mittelwert der Schallgeschwindigkeit als
Schätzwert für µ und Standardabweichung als
Schätzwert für σ) ist in Bild 52 dargestellt.
(a)
(b)
(c)
(d)
Bild 51
Anzeige der Rückwandreflexion entlang des Bauteils in Messschritten von 10 cm. (a) Längsträger 2, oberhalb und (b)
unterhalb Spannglieder; (c) Längsträger 3, oberhalb und (b) unterhalb Spannglieder. Die Streuung der Rückwandreflexion
ist primär der Streuung der Schallgeschwindigkeit des Betons geschuldet.
40
Abschließend werden alle Ergebnisse der Träger 2
und 3 in einem Histogramm in Bild 53dargestellt.
Hier wird deutlich, dass die Streuung der Schallgeschwindigkeit durch eine Gauß’sche Normalverteilung zutreffend dargestellt werden kann.
Zusammenfassung Träger 2 und 3
0,40
relative Häufigkeit
0,35
Träger 2 oben
Träger 2 unten
0,30
Träger 3 oben
Träger 3 unten
0,25
0,20
Messlinie und für alle vier Messlinien zusammen in
Tab. 5 quantifiziert. Die Werte der Standardabweichungen können zur Abschätzung der Streuung von Schallgeschwindigkeit für vergleichbare
Auswertungen herangezogen werden. Die Mittelwerte der Schallgeschwindigkeit für andere Bauteile mit abweichender Rezeptur sollten am jeweiligen Bauteil ermittelt werden. Wenn dort zu wenige Messwerte zur Ermittlung einer Standardabweichung zur Verfügung stehen, können die in Tabelle
Tab. 5 dokumentierten Werte, zur Abschätzung
der Streuung herangezogen werden.
0,15
0,10
Tab. 5
0,05
0,00
2500
2550
2600
2650
2700
2750
2800
2850
2900
2950
3000
3050
3100
Zusammenfassung der Mittelwerte und Standardabweichungen der Schallgeschwindigkeiten für jede
der vier Messlinien
Schallgeschwindigkeit in m/s
Bild 52
Histogramme der ermittelten
Schallgeschwindigkeiten getrennt für jede der vier
Messlinien
Zusammenfassung Träger 2 und 3
Mittelwert in
m/s
Standardabweichung in m/s
Träger 2, oben
2.846
48 (1,7%)
Träger 2, unten
2.790
85 (2,0%)
Träger 3, oben
2.897
58 (3,0%)
Träger 3, unten
2.797
72 (2,6%)
Alle 4 Messlinien
2.830
81 (2,8%)
0,30
Normalverteilung
relative Häufigkeit
0,25
Träger 2 und 3
0,20
0,15
0,10
0,05
0,00
2500
2550
2600
2650
2700
2750
2800
2850
2900
2950
3000
3050
3100
Schallgeschwindigkeit in m/s
Bild 53
Histogramm der ermittelten Schallgeschwindigkeiten
für alle vier Messlinien zusammen mit der ermittelten
Wahrscheinlichkeitsdichtefunktion
Für praktische Belange ergibt sich daraus die
Schlussfolgerung, dass es zur Abschätzung der
Streuung von Schallgeschwindigkeiten an großen
Bauteilen zutreffend ist, eine Gauß’sche Normalverteilung anzunehmen und durch Berechnung
des arithmetischen Mittelwerts und der empirischen Standardabweichung Schätzwerte für diese
Verteilung bestimmt werden können.
Werden dagegen nur kleine Teile eines Bauteils
betrachtet, kann es örtlich begrenzt zu starken Abweichungen der Schallgeschwindigkeit kommen.
Dies wird in Bild 52 für „Träger 2, unten“ deutlich,
wo eine Häufung reduzierter Schallgeschwindigkeiten mit Werten zwischen 2.650 und 2.700 m/s
auftritt. Die reduzierten Schallgeschwindigkeiten
entsprechen den größeren Laufzeiten, die an
diesem Träger zwischen 8 und 10 m gemessen
wurden und die in Bild 51 abzulesen sind. In
diesem Fall kann es sein, dass unter Annahme
einer Gauß’schen Normalverteilung die Schallgeschwindigkeiten zu günstig abgeschätzt werden.
Abschließend werden die berechneten Mittelwerte
und Standardabweichungen für jede einzelne
Im Vergleich zu den wesentlich kleineren Standardabweichungen in Tab. 4 wird deutlich, dass
die Unsicherheit des verwendeten Messgeräts im
Vergleich zur Unsicherheit aus der Streuung der
Schallgeschwindigkeit von untergeordneter Bedeutung ist (präzises Messgerät, „unpräziser“ Baustoff).
41
10 Verifizierung der
Messergebnisse
10.1 Allgemeines
Durch den nachfolgenden Abriss des Bauwerks
konnten die Ergebnisse der zerstörungsfreien
Messungen verifiziert werden. In diesem Abschnitt
werden folgende ausgewählte Beispiele detektierter Objekte beschrieben:

Ortung eines Querspannglieds in der Fahrbahnplatte von der Unterseite; Überdeckung von rd. 6 cm

Ortung des Spannglieds der Längsträger
(„Hüllkasten“) und visuelle Bewertung des
Verpresszustands; Überdeckung 12-13 cm

Ortung eines im Längsträger befindlichen
Einfüllrohrs; Überdeckung 4 cm, Durchmesser 3 cm

Ortung von Spanngliedern im Querträger,
die nicht im Bestandsplan verzeichnet
waren; Überdeckung 14-15 cm.
In Bild 56b und c sind die freigelegten Litzenbündel
zu sehen, die nur Spuren von Flugrost aufweisen.
Die Betondeckung der Litzenbündel zum Blech beträgt rd. 1 cm. Am Blech des Hüllkastens wurden
ebenfalls Spuren von Flugrost gefunden. In der
oberflächennahen Zone wurden keine Hinweise
auf Verpressfehler gefunden.
Der oben beschriebene Befund wurde auch an den
übrigen Stellen der Bohrkernentnahme (auch Umlenkstellen) BK5a und b, BK6a und b, BK8, BK15
und BK18 bestätigt. Die Gesamtheit der Bohrkernentnahmestellen ist in Anlage 1 dargestellt.
Die örtliche Lage der Bohrkernentnahmestellen ist
in Anlage 1 bis 3 dargestellt.
10.2 Querspannglied der
Fahrbahnplatte
Bild 54 zeigt die Unterseite der Fahrbahnplatte mit
der zerstörungsfrei georteten Lage des Querspannglieds vor der Bohrkernentnahme. Die Ergebnisse dieser Messstelle sind Abschnitt 8.2
beschrieben. Der entnommene Bohrkern ist in Bild
55 dargestellt. Er weist eine Länge von 20 cm auf,
die der Dicke der Fahrbahnplatte entspricht. Zum
Zeitpunkt der Bohrkernentnahme war die Asphaltschicht bereits entfernt. Die visuelle Untersuchung
ergab keinen Hinweis auf Verpressfehler. Die
SAFT-Auswertung ergab, dass zur zuverlässigen
Ortung von Verpressfehlern eine Mindestüberdeckung des Spannglieds von 10 cm vorliegen
muss.
Bild 54
Entnahmestelle an der Unterseite der
Fahrbahnplatte mit eingezeichneter Lage des
Querspannglieds
Bild 55
Von der Unterseite der Fahrbahnplatte
entnommener Bohrkern aus der Fahrbahnplatte mit
Querspannglied, das eine vollständige Verpressung
aufweist.
10.3 Spannglied im Längsträger
In Abschnitt 8.1 wurde der Verlauf des Spannglieds im Längsträger für die Messflächen 1 bis 9
ermittelt und bildgebend dargestellt. Dabei ergaben sich bei der Amplitudenauswertung keine Hinweise, die auf einen Verpressfehler hindeuten.
Repräsentativ für Bereiche des Hüllkastens außerhalb der Umlenkstellen mit einer Blechdicke von
1 mm ist in Bild 56a die Entnahmestelle der
Bohrkerne BK13 und BK14 dargestellt.
42
(a)
(a)
(b)
Bild 56
(c)
(a) Entnahmestelle am Längsträger mit
eingezeichneter Lage des Spannglieds und
Detailaufnahme des geöffneten Hüllkastens im
Bereich von (b) BK13 und (c) BK14 ohne Hinweis
auf erkennbare Verpressfehler.
10.4 Einfüllrohr im Längsträger
Bei der Auswertung der Radardaten wurde im Bereich der späteren Bohrkernentnahmestelle BK9
neben dem Längsspannglied ein deutlicher metallischer Reflektor identifiziert (Bild 57). Die vergleichende Auswertung der Ultraschallecho- und Impakt-Echo-Daten ergab keine Hinweise auf eine
(mit Luft gefüllte) Fehlstelle. Bei der Bohrkernentnahme wurde wie in Bild 57b dargestellt ein in die
Tiefe verlaufendes metallisches Hüllrohr gefunden,
das als Injektionsrohr gedient hat. Die Lage des
Rohrs konnte punktgenau angegeben werden.
10.5 Spannglieder im Querträger
Zur
Verifizierung
der
vorhandenen
Bestandsplanunterlagen wurde auch ein Messfeld
an einem Querträger positioniert. Im Bestandsplan
waren keine Querspannglieder verzeichnet. Die
bildgebende Darstellung der Ultraschall- und Radarergebnisse (vgl. Abschnitt 8.3) ergab eindeutige
Hinweise auf das Vorhanden von zwei Querspanngliedern im Bereich der Messfläche. Die Lage der
Querspannglieder wurde wie in Bild 58a dargestellt
auf der Bauteiloberfläche markiert. Die freigelegten
Spannglieder sind in Bild 58b und c zu sehen. Hinweise auf Verpressfehler ergaben weder die Auswertung der Messungen noch der visuelle Befund.
Die eingezeichnete Spanngliedlage entsprach genau der Lage des Hüllrohrscheitels.
(b)
Bild 57
(a) Entnahmestelle BK9; (b) Freigelegter
metallischer Reflektor an der
Bohrkernentnahmestelle BK9.
43
11 Zusammenfassung
11.1 Bildgebende Darstellung der
inneren Konstruktion
Die zusammenfassende Betrachtung der drei
verwendeten Verfahren Ultraschallecho, Radar
und Impakt-Echo zeigt deren Leistungsfähigkeit
zur bildgebenden Darstellung des Inneren der
Konstruktion auf einer Fläche von rd. 10 m².
(a)
Mit Radar gelingt die Darstellung der oberflächennahen Bewehrung erwartungsgemäß am Besten.
Aufgrund des geringen Anteils an konstruktiver Bewehrung wie er in Brücken aus dieser Zeit durchaus üblich ist und einer Bauteildicke von nur 36 cm
gelingt auch die Darstellung der rückseitigen Bewehrung des Stegs bzw. Längsträgers. Auch der
Hüllkasten des in Stegmitte liegenden Spannglieds
der Bauart Baur-Leonhardt wird deutlich abgebildet. Dabei ist die Abschattung so gering, dass
die rückseitige Bewehrung sichtbar bleibt. Über
den Aufbau des Inneren des Hüllkastens mit seiner
metallischen Ummantelung kann Radar physikalisch bedingt keinen Aufschluss bieten. Dazu ist
der Einsatz der beiden akustischen Verfahren
Ultraschallecho und Impakt-Echo erforderlich.
(b)
Mit Ultraschallecho kann die Lage des Hüllkastens ebenso deutlich und präzise dargestellt
werden wie mit Radar. Darüber hinaus können
Informationen über den Aufbau des Hüllkastens
gewonnen werden. Die Umlenkstellen des Hüllkastens weisen eine größere Blechdicke von 4 mm
und einen zweischichtigen Aufbau verglichen mit
den normalen Blechkästen mit 1 mm Wanddicke
auf. Aufgrund einer schwächeren ersten Reflexion
an der Oberfläche des Hüllkastens kann die Lage
der Umlenkstellen detektiert werden. Die Ursachen
für die unterschiedlichen Signalformen von Hüllkasten und Umlenkstelle konnten noch nicht vollständig erklärt werden.
(c)
Bild 58
(a) Zerstörungsfrei geortete und auf dem Querträger
eingezeichnete Lage der beiden Querspannglieder.
(b) und (c) zeigt jeweils das freigelegte Spannglied
von BK16 und BK17 ohne Hinweise auf
Verpressfehler.
Impakt-Echo erlaubt wie Ultraschallecho eine
Unterscheidung des Spanngliedverlaufs in Umlenkstelle und normalen Blechkastenaufbau. Wie
bei der Auswertung von Impakt-Echo üblich erfolgt
die Lokalisierung des Spannglieds über den Betrag
der Verschiebung der Rückwandanzeige zu niedrigeren Frequenzen. Die Umlenkstellen weisen eine
geringere Verschiebung der Rückwandanzeige auf
als die übrigen Bereiche mit einlagigem Blech.
Aufgrund der großen Abmessungen des rechteckigen Hüllkastens von rd. 13 cm Kantenlänge ist
eine direkte Ortung des Hüllkastens möglich. Die
Auswertung der Anzeige der direkten Reflexion der
Oberfläche des Hüllkastens ist aber – wie die
Auswertung auf rd. 11 m Länge zeigt – nicht so
zuverlässig, wie die Auswertung der Verschiebung
44
der Rückwandanzeige. Daraus wird die Empfehlung abgeleitet, zur zuverlässigen Ortung der Lage
von
Spanngliedern
die
Auswertung
der
Verschiebung der Rückwandreflexion heranzuziehen. Auf die Auswertung der direkten Reflexion
sollte – sofern sie überhaupt möglich ist – verzichtet werden. Die Querspannglieder der Fahrbahnplatte, die an der breiten Seite einen Durchmesser von rd. 45 mm aufweisen, konnten aufgrund des geringen Durchmessers nicht geortet
werden.
Bei den Impakt-Echo-Messungen an der Fahrbahnplatte wurde festgestellt, dass Erschütterungen durch LKW-Verkehr, die Messungen gestört
haben. Dies lag daran, dass die Auslenkungen der
Störungen genau in Sensorrichtung auftrafen. Bei
Messungen an vertikalen Fläche (Stege, Längsträger) sind diese Störungen erwartungsgemäß
nicht aufgetreten.
Aufgrund des geringen Anteils an konstruktiver
Bewehrung im oberflächennahen Bereich liefern
Ultraschall und Radar gleichwertige Ergebnisse
bezüglich der Güte der Darstellung des Hüllkastens und der Querspannglieder. Für Brückenbauwerke neueren Datums mit einem größeren
Anteil an oberflächennaher Bewehrung liefert
Ultraschallecho deutlichere Ergebnisse hinsichtlich
des Spanngliedverlaufs insbesondere bei mehrlagigem Spanngliedverlauf [4].
Besonders hervorzuheben ist die Klarheit der
Impakt-Echo-Ergebnisse, mit der die Lage der
Hüllkästen detektiert werden konnte und eine zuverlässige Unterscheidung in Umlenkstelle und
normalen Hüllkastenaufbau möglich war.
Geht es nur um die Darstellung der schlaffen
Bewehrung und der Spannglieder, so war dies
an diesem Bauwerk aufgrund des geringen Anteils
an oberflächennaher Bewehrung allein mit Radar
möglich. Allerdings ist eine Datenaufnahme in zwei
Polarisationsrichtungen und eine Rekonstruktionsrechnung erforderlich, um die Bewehrung in allen
Richtungen bildgebend darstellen zu können. Ist
der Anteil oberflächennaher Bewehrung größer,
das Bauteil dicker und sollen Aussagen zum Verpresszustand gemacht werden, muss die Verfahrenskombination aus Radar und Ultraschallecho
eingesetzt werden. Dazu wird künftig eine Vorgehensweise anvisiert, nur die weniger zeitintensiven Radarmessungen vollflächig durchzuführen
und die zeitaufwändigeren akustischen Messungen (Ultraschallecho, ggf. Impakt-Echo) auf die
Flächen oberhalb der Spannglieder zu beschränken. Dazu ist die Entwicklung von entsprechender
Software zur Steuerung der Brückenscanner erforderlich, die Gegenstand der weiteren Forschungs- und Entwicklungsarbeit ist. Die Genauig-
keit der nach Auswertung von Radar und Ultraschallecho erhaltenen Lage der schlaffen Bewehrung und der Hüllrohre in auf +/- 1 cm genau, wie
die spätere Entnahme von Bohrkernen bewies. In
der Praxis besteht die Schwierigkeit darin, die präzise bestimmte Lage der lokalisierten Objekte ortsgenau auf das Bauteil zu übertragen.
Als sehr leistungsfähig und wenig zeitaufwändig
hat sich auch das eingesetzte Lineararray herausgestellt, das eine SAFT-Rekonstruktion direkt
vor Ort durchführt. Eine Messposition erzeugt
bereits ein SAFT-rekonstruiertes Abbild des Querschnitts unter dem Array. Mehrere dieser Messpositionen können dann zu einem 3-D-SAFT-Bild
zusammengefasst werden. Im vorliegenden Fall
konnte im Gegensatz zu den Scanneruntersuchungen das tiefer liegende Spannglied in etwa
40 cm Tiefe geortet werden.
Bei dem untersuchten Brückenbauwerk wurde
deutlich, dass die eingesetzten Verfahren in der
Lage sind, tatsächlich vorhandene innere
Konstruktion bestehend aus schlaffer Bewehrung
und Spanngliedern realitätsgetreu darzustellen.
Damit erschließt sich die Möglichkeit, vorhandene
Bestandspläne durch die Kombination von
ZfPBau-Verfahren in Kombination mit Rekonstruktionsrechnungen zu überprüfen bzw.
fehlende Bestandspläne neu zu erstellen. Bei
dem untersuchten Querträger wurden Spannglieder gefunden, wo in den Ausführungsplänen gar
keine Spannglieder verzeichnet waren. Damit rekonstruierte Planunterlagen auch mit dem Durchmesser der schlaffen Bewehrung versehen werden
können, ist vorgesehen bei der künftigen Scannerentwicklung das Wirbelstromverfahren einzubinden.
11.2 Ortung von Verpressfehlern
Aufgrund der Untersuchungen des zuvor abgebrochenen Überbaus in Fahrtrichtung Köln wurde
auch für den hier untersuchten Überbau in Fahrtrichtung Bremen von erheblichen Verpressfehlern
in den Querspanngliedern und in den Längsspanngliedern ausgegangen. Dieser Verdacht hat sich
bei den hier durchgeführten Untersuchungen nicht
bestätigt und wurde durch Bohrkernentnahme verifiziert.
Eine zuverlässige Ortung von Verpressfehlern ist
nach derzeitigem Stand nur mit dem Ultraschallechoverfahren und einer gesonderten Auswertung zu erwarten. Dabei ist eine einfache Amplitudenauswertung (intensive Reflexionen an in der
Tiefenlage des Hüllrohrs gelten als Verdachtsstelle) zur Ortung von Verpressfehlern nicht zuverlässig. Zusätzlich ist eine Phasenauswertung
45
vorzunehmen, die über die Änderung der
Phasenlage des Signals Auskunft gibt und es
ermöglicht, festzustellen, ob eine Reflexion von der
Grenzfläche Mörtel/Stahl (intakte Stelle) oder
Stahl/Luft (Verpressfehler) stammt.
Dabei haben die Modellrechnungen gezeigt, dass
das Kriterium der Phasenlage nicht einfach
pauschal angewendet werden kann. Aufgrund der
vorliegenden komplexen Geometrie des Hüllkastens, seines z. T. mehrschichtigen Aufbaus,
seinen hohen Füllgrads mit Spannstahl und der
vorhandenen Tiefenlage kommt es zu Mehrfachreflexionen, Überlagerungen und Auslöschungen
von Signalanteilen, die eine Ergebnisinterpretation
ohne vorherige Modellrechnung unzuverlässig
machen. Dazu kommt noch der Umstand, dass
bislang keine Kenntnisse zerstörungsfreier Untersuchungen an einer Brücke mit dem System BaurLeonhardt vorlagen. Aus diesem Grund wird empfohlen, bei ähnlich komplexen Geometrien über
die bzgl. ZfP wenig Erfahrung existiert, Modellrechnungen für die Fälle schadfreier Zustand und
Verpressfehler durchzuführen, um die zu erwartenden Messergebnisse vorhersagen zu können,
eine Verbesserung der Messparameter zu ermöglichen und eine zuverlässigere Ergebnisinterpretation sicherstellen zu können.
Selbst nach Durchführung der Phasenauswertung
ergaben sich keine Hinweise auf Verpressfehler im
Hüllkasten des Längsspannglieds. Diese Einschätzung wurde durch das Öffnen des Hüllkastens an
Umlenkstellen und normalem Hüllkastenverlauf sowie an Stellen mit charakteristischen Signalen bestätigt. Keine der geöffneten Stellen des Hüllkastens oder der entnommenen Kerne im Bereich
der Querspannglieder deuten auf Verpressfehler
hin.
Die Untersuchung der Fahrbahnplatte und die
nachfolgende Phasenauswertung ergab, dass
zuverlässige Aussagen zu Verpressfehlern in der
vorliegenden geringen Hüllrohrtiefe von 6 cm nicht
möglich sind. Als Mindesttiefe für Hüllrohre zur
zuverlässigen Phasenauswertung wird derzeit
von 10 cm ausgegangen. Sofern die Mindesttiefe
nicht eingehalten werden kann, besteht die Möglichkeit statt der Prüfkopfarrays aus Punkt-KontaktPrüfköpfen ein modifiziertes Array zu nutzen, das
als „Nahfeldprüfkopf“ bezeichnet wird. Diese
Prüfkopfart steht der BAM zwischenzeitlich zur
Verfügung und wird an ersten Objekten eingesetzt.
11.3 Validierungsmessungen
Ziel der Validierungsmessungen ist eine möglichst
präzise Angabe der vorhandenen Schallgeschwin-
digkeit und ihrer zugehörigen Messunsicherheit
bzw. Streuung entlang des untersuchten Bauteils.
Die Kenntnis der mittleren Schallgeschwindigkeit
des untersuchten Bauteils und deren Streuung
sind dann von Bedeutung, wenn aus den Ergebnissen zuverlässig die Bauteildicke oder die Tiefelage eines Spannglieds bestimmt werden soll. Wie
in der Auswertung gezeigt wurde, ist die ermittelte
Streuung der Schallgeschwindigkeit im Beton
vorzugsweise der herstellungsbedingten ungleichmäßigen Verdichtung des Betons geschuldet. Hier
wurde für den untersuchten Längsträger bzw. Steg
eine Standardabweichung der Schallgeschwindigkeit von rd. 3% ermittelt. Streuungen der Messergebnisse durch Abweichungen des Messgeräts
sind deutlich geringer als 0,5% Standardabweichung und damit von untergeordneter Bedeutung. Dabei wurde der Einfluss der Streuung der
Bauteildicke herausgerechnet.
Das bedeutet für die Angabe von Bauteildicken
oder der Tiefenlage von Objekten innerhalb des
Bauteils, dass Abweichungen von mindestens 3%
durch Streuung der Schallgeschwindigkeit im
Beton zuzüglich der Abweichungen der unplanmäßigen Schwankung der Bauteildicke zu berücksichtigen sind. Damit wird deutlich, dass die Genauigkeit einer Messung mit einem präzisen Messgerät
maßgeblich durch das „unpräzise“ Bauteil mit
seiner Streuung der Bauteildicke und der Verarbeitungsqualität (Schallgeschwindigkeit) bestimmt
wird. Das bedeutet, dass die Präzision einer Messung in aller Regel durch das Bauteil und nicht
durch das Messverfahren bestimmt wird.
Vereinfacht kann nach GUM [9] folgende Überlegung angestellt werden: Nimmt man die Standardabweichung der abweichenden Bauteildicke
mit 1% an, so ergibt sich daraus zusammen mit
den zuvor ermittelten 3% Standardabweichung
durch Streuung der Schallgeschwindigkeit auf der
sicheren Seite liegend eine resultierende Gesamtstandardabweichung von 5%. Diese ist zu beachten, wenn an einer Stelle, z. B. oberhalb eines
Spannglieds, eine Bohrtiefe angegeben wird und
mit einem bestimmten Vertrauensniveau ein Treffer vermieden werden soll. Wird die Tiefe beispielsweise mit 20 cm bestimmt, so liegt die tatsächliche Dicke an dieser Stelle bei einem
Vertrauensniveau von 95% zwischen bei 20 cm +/2 cm (zweifache Standardabweichung). Soll ein
Sicherheitsniveau von 99% erzielt werden so
ergeben sich 20 cm +/-3 cm (dreifache Standardabweichung). Im ersten Fall wird eine Bohrtiefe
von 18 cm im zweiten Fall eine Bohrtiefe von
17 cm gewählt. Die Überlegung kann auf die
Angabe einer Bauteildicke aus Messergebnissen
zur Verwendung in einer Statik auf einem ge-
46
forderten Vertrauensniveau herangezogen werden.
Damit wird deutlich, dass durch eine Kenntnis der
Messunsicherheit belastbare Aussagen aus den
Messergebnissen auf einem geforderten Vertrauensniveau getroffen werden können.
11.4 Ortung von auffälligen Objekten
Wie auch bei frühren zerstörungsfreien Untersuchungen und der Kombination der Verfahren Radar, Ultraschallecho und Impakt-Echo gelingt mit
den beiden erstgenannten die direkte Ortung von
Spanngliedern. Mit Impakt-Echo gelang bereichsweise die direkte Ortung des Hüllkastens, wobei
sich aber die klassische Auswertung der Verschiebung der Rückwand als zuverlässigeres Kriterium
herausgestellt hat. Wenn die Durchmesser jedoch
im Verhältnis zur Tiefenlage zu klein werden, wie
hier im Fall der Fahrbahnplatte mit 4,5 cm können
Spannglieder mit Impakt-Echo nicht direkt geortet
werden.
Außerhalb der Spannglieder lieferten die Verfahren
auffällige Signale, die wie in Abschnitt 10 beschrieben, detailliert untersucht wurden. Ob es sich bei
einer auffälligen Stelle um einen metallischen Reflektor oder um eine luftgefüllte Fehlstelle handelt,
kann durch den direkten Vergleich von Ultraschallecho mit Radar festgestellt werden. Die Schwierigkeit besteht darin, in den Datensätzen der beiden
Messungen den exakt gleichen Punkt am Bauwerk
zu finden. Dies kann dadurch erleichtert werden,
dass die Ergebnisse kombinierter Messungen in
den gleichen dreidimensionalen Datenkubus geschrieben werden. Dort können Sie dann ortgenau
verglichen oder auch fusioniert werden. Für eine
solche vergleichende Darstellung ist ein geeigneter
dreidimensionaler Datenbrowser erforderlich. Ein
solcher wird im Rahmen des Forschungsprojekts
OSSCAR konzipiert und in das Scannersystem integriert. Die Möglichkeiten einer solchen dreidimensionalen Darstellung ist in Anlage 1 (unten)
dargestellt. Die Ansicht kann im zugehörigen Programm beliebig gedreht werden.
11.5 Aktueller Stand der Wissenschaft
und Technik und Ausblick
Bei der bildgebenden Darstellung der Bauteilgeometrie, der schlaffen Bewehrung und der
Spannglieder hat sich die Verfahrenskombination
von Radar und Ultraschall als zuverlässig und
praktikabel erwiesen. Der Einsatz von Impakt-Echo
bringt gegenüber Ultraschallecho keinen wesentlichen Informationsgewinn, obwohl im vorliegenden
Fall gute Ergebnisse zur Identifizierung der
Umlenkstellen erzielt wurden. Impakt-Echo kann
dann zusätzlich parallel zu Ultraschallecho
eingesetzt werden. Um den heutigen Kenntnis-
stand zum Stand der Technik zu machen, bedarf
es einfach zusammensetzbarer, robuster und
leicht zu bedienender Baustellenscanner. Die
Auswertungsalgorithmen und die Ausgabe von
Bildern der Ergebnisse müssen in diesen Messsystemen integriert werden, so dass Ergebnisse
zur inneren Konstruktion noch auf der Baustelle
vorliegen. Die Entwicklung solcher bedienerfreundlicher Systeme ist in Gang und wird beispielsweise
mit dem im Rahmen des vom Bundesministerium
für Wirtschaft und Technologie geförderten
innoNet-Projekts OSSCAR (Entwicklung eines OnSite SCAnneRs) umgesetzt. Am Ende der Laufzeit
Ende 2010 soll ein Gerät zur Verfügung stehen,
das im Rahmen der „objektbezogenen Schadensanalyse“ (OSA) bei der Prüfung von Brücken nach
DIN 1076 eingesetzt werden kann. Die Anwendung des Brückenscanners im Rahmen der OSA
und durch Erwähnung im Leitfaden – vergleichbar
mit dem Belastungsfahrzeug BELFA – kann der
Einsatz dieser Technologie zum Stand der Technik
werden.
Während bei Radar eine Datenaufnahme in zwei
Polarisationsrichtungen heute bereits Stand der
Technik ist, wird dies bei Ultraschallecho mit
Transversalwellen noch nicht angewendet. Dazu
bedarf es der Entwicklung von Sensoren, bei
denen der gleiche Sensor an der gleichen Messposition nacheinander in beide Richtungen polarisiert wird. Zusätzlich ist eine Messung mit Longitudinalwellen denkbar. Hier muss allerdings zuerst
die gerätetechnische Entwicklung erfolgen.
Die Anwendung der Phasenauswertung in Ergänzung zur Amplitudenauswertung stellt derzeit
noch den Stand der Wissenschaft dar. Vorliegende
Ergebnisse aus Messungen an Testkörpern mit
Verpressfehlern zeigen die Eignung der Phasenauswertung diese zuverlässig zu orten. Am
vorliegenden Bauwerk konnte mangels vorhandener Verpressfehler lediglich gezeigt werden, dass
die Phasenauswertung keinen falschen Verdacht
auf Verpressfehler liefert, wenn eine Mindesttiefe
des Hüllrohrs von 10 cm eingehalten wird.
Literatur
[1] Leitfaden Objektbezogene Schadensanalyse,
OSA, BASt 2004 (Download unter www.bast.de
Stichwort: Fachthemen)
[2] Streicher, D., Wiggenhauser, H., Holst, R.,
Haardt, P.: Zerstörungsfreie Prüfung im
Bauwesen - Automatisierte Messungen mit
Radar, Ultraschallecho und Impact-Echo an der
Fuldatalbrücke, in: Beton- und Stahlbetonbau
47
100 (2005) 3, 216-224; Ernst & Sohn Verlag für
Architektur und technische Wissenschaften
GmbH & Co. KG, Berlin
[3] Streicher, D., Algernon, D., Behrens, M., Kohl,
Ch., Wöstmann, J., Wiggenhauser, H., Petz, J.:
Großflächige
ZfPBau-Untersuchungen
an
Hohlkastenbrücken der A 23 - Südosttangente
Wien: BAM-Forschungsbericht (2006) 278, 46
Seiten; Wirtschaftsverlag NW / Verlag für neue
Wissenschaft GmbH, Bremerhaven; Hrsg.:
Bundesanstalt für Materialforschung und prüfung (BAM), Berlin
[4] Streicher, D., Kohl, Ch., Wiggenhauser, H.,
Taffe, A.: Automatisierte zerstörungsfreie
Zustandsuntersuchungen von Brückenbauwerken, in: Zeitschriftenartikel: Beton- und
Stahlbetonbau 101 (2006) 5, 330-342; Ernst,
Berlin
[5] Krause, M., Mielentz, F., Milmann, B., Mayer,
K.: Objektabbildung mit scannenden Ultraschallecho-Verfahren, Bergmeister, K., Wörner,
J.-D. (Hrsg.); BetonKalender 2007, Verkehrsbauten-Flächentragwerke. Berlin: Verlag Ernst
& Sohn, Bd. 1, Kapitel V Echoverfahren in der
zerstörungsfreien Zustandsuntersuchung von
Betonbauteilen, Absch. 8, S. 543-555
[6] Milmann, B., Krause, M., Mielentz, F., Mayer,
K.: Ultraschallecho-Verfahren für Spannbeton:
Signifikanter Nachweis von Verpressfehlern mit
Phasenauswertung, in: Tagungsband zur
Bauwerksdiagnose
2008,
Berlin,
21.22.02.2008, DGZfP BB 112-CD, Poster 11
[7] Mayer, K., Langenberg, K.-J., Krause, M.,
Maierhofer, Ch., Milmann, B. and Ch. Kohl ,
Characterization of Ultrasonic and Radar
Reflector Types in Concrete by Phase
Evaluation of the Signal and the Reconstructed
Image , in: Proceedings of the 9th European
Conference on NDT, September 25-29, 2006,
Berlin: DGZfP, BB 103-CD, We.1.3.4
[8] Taffe, A.: Dickenmessung von Fundamenten
und Ermittlung der Messunsicherheit in
Bergmeister, K. (Hrsg.); BetonKalender 2007,
Verkehrsbauten-Flächentragwerke. Berlin: Verlag Ernst & Sohn, Bd. 1, Kapitel V Echoverfahren in der zerstörungsfreien Zustandsuntersuchung von Betonbauteilen, Absch. 12, S.
573-581
[9] Guide to the Expression of Uncertainty in
Measurement, deutsche Übersetzung: Leitfaden zur Angabe der Unsicherheit beim
Messen, Beuth-Verlag, Berlin (1995)
[10]Christian U. Große, Ralf Beutel, Stuttgart
Herbert Wiggenhauser, Daniel Algernon, Berlin
Frank Schubert, Dresden: Impact-Echo in
Bergmeister, K. (Hrsg.); BetonKalender 2007,
Verkehrsbauten-Flächentragwerke. Berlin: Verlag Ernst & Sohn, Bd. 1, Kapitel V
Echoverfahren
in
der
zerstörungsfreien
Zustandsuntersuchung von Betonbauteilen,
Absch. 3.3.3, S. 503-505
[11]Friese, M., Mielentz, F., Wiggenhauser, H.:
Ultraschall-Linienarray zur Untersuchung von
Betonbauteilen, in: Tagungsband zur Bauwerksdiagnose 2008, Berlin, 21.-22.02.2008,
DGZfP BB 112-CD, Poster 9
[12]Kohl, C., Krause, M., Maierhofer, C.,
Wöstmann, J und H. Wiggenhauser: Datenfusion komplementärer Impuls-Echo Verfahren zur zerstörungsfreien Un-tersuchung von
Betonbauteilen, in: DACH-Jahrestagung, 17.19. Mai 2004, Salzburg, A, Berlin: DGZfP BBCD 89
Anlage 1
Anlage 1: Längsträger bzw. Steg mit örtlicher Lage der Bohrkernentnahmestellen (oben). Fusionierter Datensatz aus Radarmessungen mit zwei Polarisationsrichtungen dreidimensional dargestellt (unten)
Anlage 2
Anlage 2: Fahrbahnplatte mit örtlicher Lage der Bohrkernentnahmestellen
Anlage 3
Anlage 3: Querträger örtlicher Lage der Bohrkernentnahmestellen
51
Schriftenreihe
1998
B 18: Erprobung und Bewertung zerstörungsfreier Prüfmethoden
für Betonbrücken
Krieger, Krause, Wiggenhauser
€ 16,50
Berichte der Bundesanstalt
für Straßenwesen
Unterreihe „Brücken- und Ingenieurbau“
1993
B 1: Realkalisierung karbonatisierter Betonrandzonen
Budnik, Laakkonen, Maaß, Großmann
vergriffen
B 2: Untersuchungen an Fertigteilbrücken BT 70/BT 700
Haser
kostenlos
B 3: Temperaturunterschiede an Betonbrücken
Knabenschuh
vergriffen
B 4: Merkblatt zur Entnahme repräsentativer Strahlschuttproben
MES-93
€ 9,00
1994
B 5: Spezielle Probleme bei Brückenbauwerken in den neuen
Bundesländern
von H. Haser, R. Kaschner
Teil 1: Nachrechnung von Gewölbebrücken
Teil 2: Schubsicherung bei Fertigteilträgern BT 70 und BT 50
Haser, Kaschner
€ 11,50
1995
B 6: Zur Berechnung von Platten mit schwacher Querbewehrung
Kaschner
€ 11,50
B 7: Erprobung von dichten lärmmindernden Fahrbahnbelägen für
Brücken
Sczyslo
€ 12,50
B 8: Untersuchungen am Brückenbelag einer orthotropen Fahrbahnplatte
Krieger, Rath
€ 17,50
B 9: Anwendung von zerstörungsfreien Prüfmethoden bei Betonbrücken
Krieger
€ 13,00
B 10: Langzeituntersuchungen von Hydrophobierungsmitteln
Maaß, Krieger
€ 12,50
1996
B 11: Fahrbahnbeläge auf Sohlen von Trogbauwerken
Wruck
€ 12,00
B 12: Temperaturmessungen bei der Verbreiterung der Rodenkirchener Brücke
Goebel
€ 15,50
B 13: Strukturanalyse von Beton
Gatz, Gusia
€ 11,00
1997
B 14: Verhalten von Fahrbahnübergängen aus Asphalt infolge Horizontallasten
Krieger, Rath
€ 16,00
B 15: Temperaturbeanspruchung im Beton und Betonersatz beim
Einbau von Abdichtungen
Großmann, Budnik, Maaß
€ 14,50
B 16: Seilverfüllmittel – Mechanische Randbedingungen für Brük kenseile
Eilers, Hemmert-Halswick
€ 27,50
B 17: Bohrverfahren zur Bestimmung der Karbonatisierungstiefe
und des Chloridgehaltes von Beton
Gatz, Gusia, Kuhl
€ 14,00
B 19: Untersuchung von unbelasteten und künstlich belasteten Beschichtungen
Schröder
€ 11,00
B 20: Reaktionsharzgebundene Dünnbeläge auf Stahl
Eilers, Ritter
€ 12,50
B 21: Windlasten für Brücken nach ENV 1991-3
Krieger
€ 10,50
1999
B 22: Algorithmen zur Zustandsbewertung von Ingenieurbauwerken
Haardt
€ 11,50
B 23: Bewertung und Oberflächenvorbereitung schwieriger Untergründe
Schröder, Sczyslo
€ 11,00
B 24: Erarbeitung einer ZTV für reaktionsharzgebundene Dünnbeläge auf Stahl
Eilers, Stoll
€ 11,00
B 25: Konzeption eines Managementsystems zur Erhaltung von
Brücken- und Ingenieurbauwerken
Haardt
€ 12,50
B 26: Einsatzmöglichkeiten von Kletterrobotern bei der Bauwerksprüfung
Krieger, Rath, Berthold
€ 10,50
B 27: Dynamische Untersuchungen an reaktionsharzgebundenen
Dünnbelegen
Eilers, Ritter, Stoll
€ 11,00
2000
B 28: Erfassung und Bewertung von reaktionsharzgebundenen
Dünnbelägen auf Stahl
Eilers
€ 11,00
B 29: Ergänzende Untersuchungen zur Bestimmung der Karbonatisierungstiefe und des Chloridgehaltes von Beton
Gatz, Quaas
€ 12,00
B 30: Materialkonzepte, Herstellungs- und Prüfverfahren für elutionsarme Spritzbetone
Heimbecher
€ 11,00
B 31: Verträglichkeit von reaktionsharzgebundenen Dünnbelägen
mit Abdichtungssystemen nach den ZTV-BEL-ST
Eilers, Stoll
€ 10,50
B 32: Das Programm ISOCORRAG: Ermittlung von Korrosivitätskategorien aus Massenverlustraten
Schröder
€ 11,50
B 33: Bewährung von Belägen auf Stahlbrücken mit orthotropen
Fahrbahnplatten
Eilers, Sczyslo
€ 17,00
B 34: Neue reaktionsharzgebundene Dünnbeläge als Fahrbahnbeläge auf einem D-Brücken-Gerät
Eilers, Ritter
€ 13,00
2002
B 35: Bewährung von Brückenbelägen auf Betonbauwerken
Wruck
€ 11,50
B 36: Fahrbahnübergänge aus Asphalt
Wruck
€ 11,00
B 37: Messung der Hydrophobierungsqualität
Hörner, von Witzenhausen, Gatz
€ 11,00
B 38: Materialtechnische Untersuchungen beim Abbruch der Talbrücke Haiger
Krause, Wiggenhauser, Krieger
€ 17,00
52
B 39: Bewegungen von Randfugen auf Brücken
Eilers, Wruck, Quaas
€ 13,00
2003
B 40: Schutzmaßnahmen gegen Graffiti
von Weschpfennig
€ 11,50
B 41: Temperaturmessung an der Unterseite orthotroper Fahrbahntafeln beim Einbau der Gussasphalt-Schutzschicht
Eilers, Küchler, Quaas
€ 12,50
B 42: Anwendung des Teilsicherheitskonzeptes im Tunnelbau
Städing, Krocker
€ 12,00
B 43: Entwicklung eines Bauwerks Management-Systems für das
deutsche Fernstraßennetz – Stufen 1 und 2
Haardt
€ 13,50
B 44: Untersuchungen an Fahrbahnübergängen zur Lärmminderung
Hemmert-Halswick, Ullrich
€ 12,50
B 45: Erfahrungssammlungen:
Stahlbrücken – Schäden – wetterfeste Stähle Seile
Teil 1: Dokumentation über Schäden an Stahlbrücken
Teil 2: Dokumentation und Erfahrungssammlung mit Brücken
aus wetterfesten Stählen
Teil 3: Erfahrungssammlung über die Dauerhaftigkeit von Brückenseilen und -kabeln
Hemmert-Halswick
€ 13,00
2004
B 46: Einsatzbereiche endgültiger Spritzbetonkonstruktionen im
Tunnelbau
Heimbecher, Decker, Faust
€ 12,50
2005
B 47: Gussasphaltbeläge auf Stahlbrücken
Steinauer, Scharnigg
B 56: Entwicklung eines Prüfverfahrens für Beton in der
Expositionsklasse XF2
Dieser Bericht liegt nur in digitaler Form vor und kann kostenpflichtig unter www.nw-verlag.de heruntergeladen werden.
Setzer, Keck, Palecki, Schießl, Brandes
€ 19,50
B 57: Brandversuche in Straßentunneln – Vereinheitlichung der
Durchführung und Auswertung
Steinauer, Mayer, Kündig
€ 26,50
B 58: Quantitative Risikoanalysen für Straßentunnel
Sistenich
€ 14,50
2008
B 59: Bandverzinkte Schutzplankenholme
Schröder
€ 12,50
B 60: Instandhaltung des Korrosionsschutzes durch Teilerneuerung - Bewährung
Schröder
€ 13,50
B 61: Untersuchung von Korrosion an Fußplatten von Schutzplankenpfosten
Schröder, Staeck
€ 13,00
B 62: Bewährungsnachweis von Fugenfüllungen ohne Unterfüllstoff
Eilers
€ 12,00
B 63: Selbstverdichtender Beton (SVB) im Straßentunnelbau
Heunisch, Hoepfner, Pierson (^), Dehn, Orgass, Sint € 17,50
€ 13,50
B 64: Tiefenabhängige Feuchte- und Temperaturmessung an
einer Brückenkappe der Expositionsklasse XF4
Brameshuber, Spörel, Warkus
€ 12,50
B 48: Scannende Verfahren der zerstörungsfreien Prüfung von
Brückenbauwerken
Holst, Streicher, Gardei, Kohl, Wöstmann,
Wiggenhauser
€ 15,00
B 65: Zerstörungsfreie Untersuchungen am Brückenbauwerk
A1 Hagen/Schwerte
Friese, Taffe, Wöstmann, Zoëga
€ 14,50
2006
B 49: Einfluss der Betonoberflächenvorbereitung auf die Haftung von Epoxidharz
Raupach, Rößler
€ 13,50
B 50: Entwicklung eines Bauwerks-Management-Systems für
das deutsche Fernstraßennetz, Stufe 3
Holst
€ 13,50
B 51: Hydrophobierungsqualität von flüssigen und pastösen
Hydrophobierungsmitteln
Panzer, Hörner, Kropf
€ 12,50
B 52: Brückenseile mit Galfan-Überzug – Untersuchung der
Haftfestigkeit von Grundbeschichtungen
Friedrich, Staeck
€ 14,50
B 53: Verwendung von selbstverdichtendem Beton (SVB) im
Brücken- und Ingenieurbau an Bundesfernstraßen
Tauscher
€ 14,50
B 54: Nachweis des Erfolges von Injektionsmaßnahmen zur
Mängelbeseitigung bei Minderdicken von Tunnelinnenschalen
Rath, Berthold, Lähner
€ 12,50
2007
B 55: Überprüfung des Georadarverfahrens in Kombination
mit magnetischen Verfahren zur Zustandsbewertung von
Brückenfahrbahnplatten aus Beton mit Belagsaufbau
Krause, Rath, Sawade, Dumat
€ 14,50
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Verlag für neue Wissenschaft GmbH
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Dort ist auch ein Komplettverzeichnis erhältlich.